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DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA
Dimensionamento e Parametrização
Automática de Sistemas de Energia
Fotovoltaica em Edifícios Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica na Especialidade de Energia e Ambiente
Automatic Sizing and Parameterization of Photovoltaic
Energy Systems in Buildings
Autor:
Miguel Ângelo de Campos Sousa
Orientadores:
Álvaro Filipe Peixoto Cardoso de Oliveira Gomes Eugénio Miguel de Sousa Rodrigues
Júri: Presidente Adélio Manuel Rodrigues Gaspar
Professor Auxiliar da Universidade de Coimbra Vogal Marco Alexandre dos Santos Fernandes
Professor Auxiliar Convidado da Universidade de Coimbra Orientador Eugénio Miguel de Sousa Rodrigues
Professor Auxiliar Convidado da Universidade de Coimbra
Coimbra, setembro, 2018
Este trabalho teve o apoio da Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) e do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) via COMPETE – Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI), no âmbito do projeto Ren4EEnIEQ (PTDC/EMS-ENE/3238/2014, POCI-01-0145-FEDER-016760 e LISBOA-01-0145-FEDER-016760).
“We but mirror the world. As a man changes his own nature,
so does the attitude of the world change towards him.
- Mahatma Ghandi
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Agradecimentos
Miguel Sousa i
Agradecimentos
A todos os membros da equipa de investigação Ren4EEnIEQ pelo seu trabalho
e dedicação, em especial ao Professor Doutor Eugénio Rodrigues, por toda a sua
disponibilidade, orientação e paciência, foram essenciais para o desenvolvimento da tese.
A todas as pessoas que tenho o prazer de chamar de amigos. Desde Lagos até
Brno, foram presenças essenciais que, embora estivessem longe, mantiveram-se sempre
perto, incentivando-me e apoiando-me durante o percurso desta tese.
À minha companheira, Maria Miličkova, cujo conhecimento no ramo de
arquitetura e o seu ponto de vista diferente foram uma mais valia na abordagem de certos
problemas. No entanto, estes não são comparáveis ao seu apoio e motivação constantes, os
quais me permitiam aperfeiçoar sempre um pouco mais a dissertação.
Por último, mas de longe os menos importantes, à minha família e ao seu apoio
durante toda a tese. Em especial, aos meus pais e à minha irmã, por estarem disponíveis
sempre para qualquer problema, pelo incentivo como e por serem modelos de coragem, tanto
na tese como em todo o percurso académico em si que me conduziu a este final.
Obrigado a todos. Esta dissertação não teria sido concluída sem a vossa presença.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Resumo
Miguel Sousa ii
Resumo
Com o aumento da preocupação mundial pelas necessidades energéticas e suas
implicações – redução de recursos disponíveis, consequências ambientais inerentes, entre
outros – várias instituições globais recorreram ao estabelecimento de diversas metas e
projetos a serem cumpridos, tais como a Europa 2020 e o acordo de Paris. O aumento da
eficiência energética, a redução de gases poluentes e causadores de efeitos estufa e ainda a
maior implementação de fontes de energia renovável são os pontos cruciais nestes objetivos.
Associando estes ao setor de habitação, o maior consumidor final da energia global, surge o
potencial da integração arquitetónica dos fatores estipulados com as construções da
atualidade, a fim de atingir as metas estabelecidas.
De modo a auxiliar estas transformações, a equipa de investigação Ren4EEnIEQ
encontra-se a desenvolver uma ferramenta computacional de apoio à renovação de edifícios
de maneira otimizada em termos energéticos, abrangendo a sua estrutura, geometria, design
e otimização dos sistemas de calor e sistemas de construção envolvidos. Com a operação nas
etapas iniciais dos projetos, é possível reduzir o consumo final de energia com um
procedimento simplificado e mais eficaz. Esta dissertação tem o foco na implementação de
fontes de energia fotovoltaica nesta ferramenta de otimização. Esta é feita dimensionando e
parametrizando o sistema fotovoltaico de maneira automática e economicamente viável. A
escolha económica mais promissora é obtida com base em diversos fatores, como
localização, perfil de consumo, legislação envolvida e área e investimento econômico
disponíveis.
Ao introduzir os principais componentes do sistema fotovoltaico - painéis
solares, inversor e a existência de bateria - a otimização foi feita em termos de número,
posicionamento, inclinação e orientação dos painéis solares. Foram consideradas várias
estruturas de suporte, incluindo rastreadores solares, e perdas do sistema fotovoltaico
inevitáveis, tanto em termos de eficiência quanto de fatores externos. As estruturas não fixas
e as perdas externas foram adicionadas por métodos aproximados, a fim de obter uma
escolha mais precisa e abrangente do tipo de sistema.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Resumo
Miguel Sousa iii
Após a junção de todos os dados, foi possível atribuir vários cenários viáveis ao
edifício estudado, localizados em Coimbra, Portugal, graças ao recurso a bases de dados, a
programas de simulação de energia e algoritmos de otimização. O potencial econômico desta
tecnologia renovável foi verificado em todas as situações, as quais mostraram uma tendência
a maximizar a área do telhado através da redução da inclinação do painel solar, consequência
de um perfil de consumo relativamente alto. A integração de painéis solares nas paredes e a
fixação de painéis solares no piso foram lucrativos, mas em cenários de nicho, devido à sua
natureza. Além disso, foi também provado que a adição de rastreadores solares foi feita com
sucesso, embora estes não sejam comparados com a estrutura fixa, no momento desta tese,
em Coimbra. No entanto, ambas as opções têm um bom potencial em outras situações,
especialmente os painéis integrados, que triunfam na economia econômica e na
singularidade visual do edifício. Independentemente da situação escolhida, será sempre
dependente das mudanças econômicas envolvidas. Portanto, este método é uma boa opção
tanto para estimar a melhor opção de uma determinada situação, como para retirar várias
soluções de diversos cenários e decidir qual optar após uma análise detalhada de cada uma
delas.
Palavras-chave: Energia renovável, Eficiência energética, Desempenho térmico e energético, Painéis fotovoltaicos, Microgeração, Simulação dinâmica
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Abstract
Miguel Sousa iv
Abstract
With the increasing global concern on energy needs and their implications –
reduction of available resources, inherent environmental consequences, among others –
several global institutions have resorted to the establishment of various projects and goals
that must be met, such as Europe 2020 and the Paris Agreement. The increase the energy
efficiency, reduce the emission of polluting and greenhouse effect gases and further
implementing renewable energy sources are all crucial points on these objectives. Linking
these to the residential sector, the biggest final consumer of energy worldwide, arises the
potential of architectonical integration of the stipulated factors with the constructions of
present time, in order to reach the established goals.
To aid these transformations, the investigation team Ren4EEnIEQ is developing
a computational tool to aid in the renovation of buildings in an energy optimized way,
covering its structure, geometry, design and optimizing the heat systems and construction
systems involved. With the operation in the initial steps of the projects, it’s possible to reduce
the final energy consumption with a simplified and more effective procedure. This
dissertation focus on the implementation of photovoltaic energy sources into this optimizing
tool. It does so by dimensioning and parametrizing the photovoltaic system in an automatic
and economically viable way. The most promising economical choice is achieved with basis
on several factors, such as location, consumption profile, involved legislation and area and
economical investment available.
By introducing the main components of the photovoltaic system – solar panels,
inverter and the existence of battery – the optimization was made in terms of number,
positioning, tilt and orientation of the solar panels. Several supporting structures were
considered, including solar trackers, and respective inevitable losses, both in terms of
efficiency and external factors. The non-fixed structures and external losses were added by
approximate methods, in order to obtain a more precise and more comprehensive choice of
system type.
Finally, after merging all the data, it was possible to assign several scenarios that
are viable choices to the studied building, located in Coimbra, Portugal, thanks to the
resource of data bases, energy dynamic simulation programs and optimizing algorithms. The
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Abstract
Miguel Sousa v
economic potential of this renewable technology was verified in all the situations, which all
showed a leaning to maximizing the roof area via the reduction of solar panel inclination,
consequence of a relatively high consumption profile. The integration of solar panels in the
walls and the attachment of solar panels on the floor were lucrative, but in niche scenarios,
due to their nature. Furthermore, it was also proved that the addition of solar trackers was
successfully made, although these lack in comparison to the fixed structure, in the moment
of this thesis, in Coimbra. Nevertheless, both of these options have a nice potential in other
situations, specially the integrated panels, which triumph in economic savings and visual
uniqueness of the building. Regardless of the chosen situation, this will always be dependent
on the economic changes involved. Therefore, this method is a good option both to see the
best option of a particular situation or to withdraw several solutions from multiple scenarios
and decide after a close analysis to each one of them.
Keywords Renewable energy, Energy efficiency, Thermal and energetic performance, Photovoltaic panels, Microgeneration, Dynamic Simulation
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Índice
Miguel Sousa vi
Indice
Simbologia ....................................................................................................................... vii Siglas .............................................................................................................................. viii
1. Introdução ...................................................................................................................... 1
1.1. Enquadramento ....................................................................................................... 1
....................................................................................................................................... 3
1.2. Motivação ............................................................................................................... 3 1.3. Objetivo .................................................................................................................. 6 1.4. Estrutura da dissertação .......................................................................................... 6
2. Revisão bibliográfica ..................................................................................................... 8 2.1. Sistema fotovoltaico ............................................................................................... 8
2.1.1. Painéis Solares ................................................................................................. 8
2.1.2. Estrutura de suporte ......................................................................................... 8 2.1.3. Inversores ...................................................................................................... 12 2.1.4. Baterias .......................................................................................................... 13
2.1.5. Perdas por fatores exteriores ......................................................................... 14
2.2. Legislação e custos envolvidos ............................................................................. 19 2.3. Conclusões ............................................................................................................ 23
3. Metodologia ................................................................................................................. 25
3.1. Considerações iniciais ........................................................................................... 27 3.2. Simulação energética ............................................................................................ 28
3.2.1. Painéis fotovoltaicos ...................................................................................... 29 3.2.2. Estrutura de suporte ....................................................................................... 32 3.2.3. Outros elementos ........................................................................................... 35
3.3. Otimização ............................................................................................................ 37 3.3.1. EnergyPlus ..................................................................................................... 37 3.3.2. GenOpt .......................................................................................................... 38
4. Caso-Estudo ................................................................................................................. 43 4.1. Edifício .................................................................................................................. 43
4.2. Sistema de Produção de Energia ........................................................................... 47 4.3. Outras considerações ............................................................................................ 49
5. Discussão de resultados ............................................................................................... 51
6. Conclusão .................................................................................................................... 60
Referências Bibliográficas ................................................................................................... 63
ANEXO A – Painel fotovoltaico selecionado ..................................................................... 66
ANEXO B – Inversor selecionado ...................................................................................... 67
ANEXO C – Bateria selecionada ........................................................................................ 68
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Simbologia
Miguel Sousa vii
Simbologia
𝐻 Altura [m]
𝐶 Comprimento [m]
𝐿 Largura [m]
𝜑 Ângulo azimute [°]
𝛼𝑃𝑉 Inclinação do painel fotovoltaico [°]
𝜃𝑠𝑜𝑙 Ângulo de altitude solar [°]
𝐼 Intensidade da corrente elétrica [A]
𝑃 Potência elétrica [W]
𝑉 Tensão elétrica [V]
CF Cash-Flow [€]
G Gastos de exploração [€]
R Rendimento de exploração [€]
VLA Valor Líquido Anual [€]
VR Valor Residual [€]
i Custo de capital (taxa de atualização) %
𝑡 Período analisado anos
𝑁 Número un.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Siglas
Miguel Sousa viii
Siglas
AC – Alternate Current
AVAC – Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado
c-Si – Silício cristalino
CUR – Consumidor de Último Recurso
DC – Direct Current
ELC – Electric Load Center
EPSAP – Evolutionary Program for the Space Allocation Program
FPOP – Floor plan Performance Optimization Program
GUI – Graphical User Interface
IDF – Input Data File
NREL – National Renewable Energy Laboratory
nZEB – nearly Zero Energy Buildings
PNAEE – Plano Nacional de Ação para a Eficiência Energética
PNAER – Plano Nacional de Ação para as Energias Renováveis
PV – Photovoltaics
RESP – Rede Elétrica do Serviço Público
SAM – System Advisor Model
SAP – Space Allocation Problem
SCE – Sistemas de Certificação Energética
SEN - Sistema Elétrico Nacional
UP – Unidades de Produção
UPP – Unidade de Pequena Produção
UPAC – Unidade de Produção para Autoconsumo
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Introdução
Miguel Sousa 1
1. INTRODUÇÃO
1.1. Enquadramento
Desde o tempo da revolução industrial que a humanidade tem vindo a evoluir em
tecnologias de uma forma antes inimaginável, criando novas maneiras de produção em
massa e com melhor qualidade, tanto industrial, como na agricultura. Possibilitou novos
meios de transporte, melhoria nos serviços de saúde, e, claro, novos meios de produção de
energia. Foi uma época de grandes mudanças, aumentando a qualidade de vida global e a
economia de múltiplas nações. Mas trouxe consequências. A utilização massiva de recursos
não-renováveis deixou um grande impacto global não só tecnológico, mas também
ambientalmente. A perceção do combustível como fonte de energia finito e do seu grave
impacto ambiental deu início à transição de uma era de industrialização para uma era de
sustentabilidade, na qual se foca em salvaguardar os recursos finitos, de maneira a torna-los
quase renováveis. Desta forma, a utilização da energia da maneira mais eficiente possível é
essencial, havendo preferência em geração por recursos limpos e renováveis. Na atualidade,
todos os consumidores finais de energia têm potencial para estas mudanças, e como o setor
residencial é o maior consumidor global, este acaba por ter um papel muito importante para
a criação de um futuro melhor e mais sustentável [1].
Com este novo rumo, um dos critérios cruciais focado é a eficiência energética.
A própria Comissão Europeia, no que toca às prioridades energéticas, defende a ‘eficiência
energética em primeiro lugar’ como principio da União de Energia [2]. Ao usar a energia de
modo mais eficiente, as necessidades energéticas diminuem, levando a uma redução de
consumo de emissão de GEE e outros poluentes, redução do consumo de combustíveis
fosséis, redução de importações no âmbito da energia, aumentando a independência
energética nacional e segurança da energia envolvida, a redução de infraestruturas
energéticas e, claro, uma redução de gastos em consumo energético por parte do utilizador.
A integração destas medidas é acessível e viável. No entanto, continuam a existir obstáculos
á sua evolução, nomeadamente o investimento inicial e a falta de informação e os chamados
rebound effects [3]. Estes efeitos têm origem na redução da necessidade energética, a qual
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Introdução
Miguel Sousa 2
origina uma redução no o preço da eletricidade. De um modo simplificado, dado que a
eletricidade se torna mais acessível, haverá uma maior disponibilidade financeira para a sua
compra, o que irá encorajar a aumentar o seu consumo, sendo então um fator negativo.
No entanto, as vantagens são superiores a estes problemas, e várias metodologias
já se encontram a ser aplicadas, sobretudo no âmbito de edifícios, os quais se devem destacar
os nearly Zero Energy Buildings – nZEB. A definição destes é vaga, mas, segundo a
Comissão Europeia [2], são edifícios com elevado desempenho energético, onde a aplicação
de métodos de eficiência energética atribuiu um consumo energético tão reduzido, que pode
ser suportado pela energia gerada por fontes renováveis, instalados no próprio. Com ambos
estes setores em mente, foi criado o Europa 2020, o qual estabelece metas que os países
europeus devem cumprir até 2020. No âmbito da energia, tem os objetivos de reduzir a
emissão de GEE em 20%, quando comparados aos níveis de 1990, aumentar o investimento
em eficiência energética em 20% e também o aumento do investimento em energias
renováveis a 20%. Também foi criado o Zebra 2020, o qual é responsável pela análise o
edifício nZEB, e tem como requerimento principal a atribuição obrigatória desta categoria a
todos os edifícios novos construídos a partir de 2020. No que toca a nível nacional, metas
são estabelecidas especificamente pelo Portugal 2020, sendo que o seu procedimento é
estabelecido em termos de eficiência energética e de energias renováveis por,
respetivamente, PNAEE e PNAER. De modo a atribuir um nível de desempenho energético
ao edifício, recorre-se a um Sistema de Certificação Energética – SCE – o qual se baseia nas
características do edifício - maioritariamente, a sua construção – para atribuir uma avaliação,
dependendo do seu desempenho. São sempre sugeridas medidas a tomar, de forma a melhor
o próprio edifício, e é considerado que uma atribuição do nível mais elevado, A+, é o critério
mais aproximado da atualidade para uma definição de nZeb. Por fim, a simulação dinâmica
também é um método de avaliação do desempenho energético do edifício, utilizando o clima
do local, construção, perfil de consumo e equipamentos envolvidos como base para os seus
cálculos [4]. Este estudo permite uma tomada de decisões que garanta uma maior vida útil
ao edifício. Além disso, a sua decisão em fases iniciais é muito mais eficiente, sendo que a
sua modificação mais tardia é complicada, e arrecada maiores custos, o qual motiva para
uma boa decisão inicial, tal como se demonstra na Figura 1.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Introdução
Miguel Sousa 3
1.2. Motivação
Cerca de 66% dos edifícios da Europa foram construídos quando os
requerimentos de eficiência energética eram limitados, ou quase inexistentes, e a maioria
destes irão permanecer até 2050. Hoje em dia, grandes poupanças de energia são alcançadas
a partir de técnicas simples, como insulação e vidro duplo, sendo que o grande problema,
em termos residenciais, é focado nos donos das propriedades, realçando a falta de
conhecimento, limitações de investimento ou a divisão de incentivos para as remodelações
(por exemplo, prédios com vários apartamentos) [1]. No entanto, a tecnologia e metodologia
são comprovadas, e fiáveis. O mesmo se aplica aos sistemas fotovoltaicos. Sendo Portugal
um pais com boa exposição à radiação solar, um dos melhores da Europa, consegue tirar
bom proveito da energia fotovoltaica, criando uma maior independência energética, e um
futuro mais sustentável. A Figura 2 demonstra o potencial dos países europeus para a energia
fotovoltaica, sendo o mapa retirado do site solargis [5].
Figura 1 - Relação entre a eficiência e custos de implementações de decisões no edifício ao longo da sua vida útil [4]
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Introdução
Miguel Sousa 4
Para além disso, a tecnologia fotovoltaica está em constante evolução,
assumindo preços cada vez mais acessíveis. Associando este fator com as metas
estabelecidas para um futuro sustentável, como a Europa 2020 e o acordo de Paris, e ao
elevado custo da eletricidade de Portugal [6], ilustrado na Figura 3, obtém-se uma situação
de investimento capaz de um desenvolvimento mais sustentável e de uma boa influência
económica, atribuindo a independência energética ao país e poupança ao seu investidor.
Figura 2 - Potencial fotovoltaico na Europa [5]
Figura 3 - Preços de eletricidade para consumo residencial no segundo semestre de 2017, Europa [6]
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Introdução
Miguel Sousa 5
A Figura 4 apresenta uma análise efetuada pela Comissão Europeia [7], a qual
demonstra este potencial, comparando o preço de investimento de um sistema fotovoltaico
tradicional com o preço de eletricidade para o consumidor residencial na Europa, em 2017.
Com isto, a implementação de sistemas fotovoltaicos é vantajosa, e recomendada, e é
habitual fazer um dimensionamento destes com base no perfil de consumo do edifício e na
latitude do local, determinando, respetivamente, o número e inclinação dos painéis. No
entanto, este está longe de ser ideal. Cada perfil de consumo é único, e quando associado à
limitação da área disponível nas residências, cria um leque de hipóteses maior do que apenas
a simplificada. Exemplos destes são a atribuição de ângulo de inclinação inferior ao
considerado “ideal”, de modo a gerar mais energia durante o Verão, com a possibilidade de
introduzir um número de painéis maior na mesma área; ou a orientação a Sudoeste, onde
existe mais energia produzida ao final do dia, onde se inicia o pico de consumo da maioria
das residências da atualidade. Como tal, o estudo do edifício em geral é motivado, de modo
a atribuir o sistema mais rentável e eficiente possível para as situações em questão.
Figura 4 - Comparação de preços entre a eletricidade de consumo residencial com a eletricidade gerada por PVs, com capital de interesse de 3% [3].
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Introdução
Miguel Sousa 6
1.3. Objetivo
Esta dissertação foi realizada de modo a alcançar a otimização dos sistemas
fotovoltaicos implementados em edifícios, sendo estudados casos de autoconsumo e de
pequena produção energética. Os painéis em questão serão considerados em diversas áreas
do edifício e em diferentes tipos de estrutura, sendo então otimizados em termos de número,
inclinação, orientação e posição. Esta otimização será concebida por uma análise económica,
considerando diversos custos envolvidos no sistema fotovoltaico, e os ganhos da energia
poupada e, caso exista, vendida. Será sempre considerada a ligação á rede, visto que é um
caso preferível na atualidade e o qual. permite uma maior flexibilidade no sistema instalado,
realçando os perfis de consumo variados, a opção de descartar bateria, a venda de energia
excessiva e ainda a segurança contra o desfasamento da corrente elétrica.
1.4. Estrutura da dissertação
Esta dissertação está divida em 6 capítulos, sendo este capítulo o primeiro, no
qual se introduz ao tema e se realça alguns temas principais a notar.
O segundo capítulo é referente à revisão bibliográfica, a qual destaca algumas
áreas de interesse específico que foram auxiliares na tomada de decisões da otimização. É
uma pequena síntese dos equipamentos e legislação envolvidos nos sistemas fotovoltaicos,
sendo a sua explicação não uma defesa sobre a escolha de um equipamento sobre o outro,
mas sim o reconhecimento das condições de uso de cada componente distinto.
Avançando para o terceiro capítulo, é explicado o procedimento, o qual define a
metodologia utilizada, a qual será aplicada em termos gerais a qualquer caso-estudo. São
indicados os algoritmos escolhidos, condições iniciais implementadas no programa, e ainda
a abordagem efetuada no processo de otimização.
No quarto capítulo é realizado um caso-estudo, sendo o sistema fotovoltaico do
edifício introduzido e otimizado, tendo em conta todas as estruturas, legislações e limitações
envolvidas. De seguida, serão analisados e discutidos os resultados no quinto capítulo,
concluindo qual das alternativas seria a mais adequada para o edifício.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Introdução
Miguel Sousa 7
Por fim, é feita a conclusão da dissertação, listando as hipóteses de alteração
dentro do procedimento envolvido e o que foi alcançado com esta tese, as críticas e
limitações à metodologia envolvida e propostas para trabalhos futuros.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 8
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Sistema fotovoltaico
2.1.1. Painéis Solares
Dentro dos sistemas fotovoltaicos existentes, os painéis de silício cristalino (c-
Si) são os mais usados na produção de energia. Podem ser divididos em duas categorias,
dependendo do seu tipo de estrutura cristalina e da sua pureza: monocristalinos ou
policristalinos. O primeiro é o tipo de painel mais comum – a sua estrutura de elevada pureza
permite uma eficiência Standard de 14~17%, sendo que existem painéis denominados
Premium que conseguem alcançar eficiências acima dos 20%. Já os policristalinos
apresentam uma eficiência semelhante à monocristalina Standard, mas, devido ao seu
método de produção multicristalina, a sua fabricação acaba por ser mais barata, tendo estes
painéis um investimento menor [8].
Existem ainda outros painéis no mercado atual que poderão ser vantajosos em
condições específicas, com processos inovadores. Exemplo destes são os painéis de película
fina de diversas composições, desde flexíveis a transparentes, sendo os últimos úteis como
substituição de envidraçados. Infelizmente, estes métodos são relativamente recentes, não
estando ainda implementados no software de simulação dinâmica a utilizar neste trabalho.
Dada a dominância no mercado das tecnologias de silício, e a área das habitações
ser, na maioria das vezes, limitada, os painéis monocristalinos Premium serão a escolha
principal para a dissertação.
2.1.2. Estrutura de suporte
Os painéis fotovoltaicos podem ser adicionados como um sistema adjacente ou
um sistema integrado do edifício em questão, denominados, respetivamente, BAPV e BIPV
– Building Attached / Integrated Photovoltaics.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 9
2.1.2.1. BAPV
A denominação BAPV é atribuída aos sistemas fotovoltaicos cujos painéis são
instalados pela sua adição a uma habitação posterior à construção da mesma. Devido à sua
simplicidade e flexibilidade de instalação, é a categoria dominante, e tem como base uma
estrutura de suporte, a qual poderá ter uma orientação fixa ou variável ao longo do ano, de
modo a obter a maior eficiência possível. A implementação de seguidores solares acresce
custos de investimento e manutenção, em troca de uma maior produção de energia, resultado
de um ângulo de incidência da radiação menor. Nesta dissertação, serão considerados os
seguintes tipos de estrutura:
➢ Painel fixo – inclinação e orientação constantes;
➢ Painel semestral – inclinação varia semestralmente (Inverno/Verão),
orientação constante;
➢ Painel de 1 eixo azimute – inclinação constante, orientação varia com a hora
do dia.
➢ Painel de 2 eixos – inclinação e orientação varia com a hora do dia.
Com a alteração da orientação e inclinação horária, é possível aumentar o
rendimento do sistema fotovoltaico, sobretudo nos países nórdicos, onde existe uma grande
alteração do posicionamento solar ao longo do dia. No entanto, existem limitações. Para
começar, é necessária uma estrutura de suporte adequada à rotação dos PV de forma eficiente
e segura, sendo comum recorrer a motores elétricos e a varas de grande altura resistentes,
encastradas com betão, de modo a suportar o peso e à maior exposição às forças do vento.
Estas características acrescem custos ao investimento inicial e manutenções mais cuidadosas
dos sistemas, levando mesmo á necessidade de mão-de-obra especializada. Para além disso,
o tipo de estrutura em si não é adequado para a maioria dos telhados existentes em
habitações, sendo mais utilizados em aplicações no solo com grande exposição solar, em vez
da habitual colocação no topo do edifício.
Dada a limitação da área disponível para a colocação de PV, o seu
posicionamento deve ser escolhido cuidadosamente. É habitual o estabelecimento de uma
inclinação ideal, de acordo com a latitude do local. No entanto, de modo a evitar
sombreamento entre estes, é imposto um distanciamento entre painéis, o qual será tanto
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 10
maior quanto a inclinação dos painéis. Este caso é particularmente importante nos
considerados painéis semestrais, com a sua mudança de inclinação para o semestre do
Inverno. Assim, um ângulo de inclinação inferior ao mais eficiente poderá ser uma mais
valia em habitações com grande consumo energético, uma vez que possibilita a instalação
de sistemas de maior capacidade. Por outras palavras, a redução do ângulo de inclinação,
embora reduza a produção de energia por painel, poderá aumentar a produção por área, sendo
então uma hipótese a ser considerada.
2.1.2.2. BIPV
Com a geração de edifícios eficientes, a implementação de painéis na própria
envolvente do edifício é uma nas etapas iniciais do projeto.
Este tipo de painéis permite uma maior flexibilidade por parte de arquitetos e
engenheiros em termos de aplicação, no que toca às categorias de área disponível e de
estética global, podendo ser associada a grande parte da envolvente do edifício. As suas
aplicações mais comuns são direcionadas a zonas que não envolvem o suporte de cargas da
construção em si, e que são inclinadas o suficiente (mínimo aproximado de 10º) para permitir
a menor adesão de partículas, como poeiras e gotas provenientes da precipitação,
destacando-se telhados inclinados, revestimentos e fachadas de cortina.
No entanto, a sua implementação remove a flexibilidade existente do
posicionamento, visto que este será equivalente ao da superfície da construção-alvo, sendo,
no geral, menor produtora de energia do que os BAPV. Também sofre de uma preparação
mais cuidadosa e limitada, tanto em termos externos, como a ventilação e cargas envolvidas,
como o processo de instalação total, e respetiva tomada de decisões, por diferentes
responsáveis na construção. Ainda assim, o mercado continua em crescimento. Existe um
grande potencial na poupança de recursos e de dinheiro, em conjunto coma um estilo
inovador e a uma maior área disponível, levando á evolução da tecnologia em diferentes
abordagens, como painéis transparentes ou a aplicação do calor proveniente da parte
posterior do PV em sistemas de AVAC, a fim de arrefecer o painel e usufruir da energia para
a climatização da habitação, nomeando-se BIPV.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 11
2.1.2.3. Eficiência e curva I-V
A conversão da radiação incidente em energia fotovoltaica não é perfeita,
possuindo diversas perdas, sendo atribuída uma eficiência. No entanto, esta não é fixa: a
radiação incidente e a temperatura envolvidas são os fatores principais que influenciam a
eficiência de um painel, dado que alteram, respetivamente, a intensidade e voltagem
envolvidas. De modo a ter estes em conta, são criadas curvas I-V, na qual o ponto de
produção máxima – MPPT – corresponde às melhores condições entre os dois parâmetros
para a produção fotovoltaica. Na Figura 5 são demonstrados exemplos destas curvas de um
painel da empresa Trina Solar, obtidos a partir das suas fichas técnicas.
Com análise nas fichas técnicas do produto, é possível saber a eficiência de um
painel, a qual foi estipulada a partir de testes em condições standard – STC. Estes testes
assumem condições ideais de funcionamento durante o dia, ou seja, temperatura de 25 °C,
irradiação constante de 1000 W/m2. Caso a irradiação decresça, a curva irá ser diferente, tal
como se mostra no gráfico, no qual cada curva representa uma irradiação diferente. Com os
equipamentos da atualidade, pretende-se obter o ponto de maior energia possível para a
irradiação em questão. Este é equivalente aos pontos máximos do gráfico da direita,
denominado por MPPT – Maximum Power-Point Tracking.
Como tal, os cálculos feitos devem ter sempre estas curvas em mente, e a sua
alteração de eficiência com a mudança de variáveis.
Figura 5 – Gráficos de curvas I-V e P-V do painel TSM-PD05.08
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 12
2.1.3. Inversores
A maioria das habitações da atualidade encontram-se ligadas à rede elétrica
nacional, sendo alimentadas por uma corrente alternada. Dado que o sistema fotovoltaico
gera eletricidade em forma de corrente direta, é necessário a existência de inversores para a
conversão da corrente. Em termos residenciais, a escolha mais comum é um inversor string,
o qual converte a corrente de uma série de painéis. Dado que a área onde o sistema
fotovoltaico se encontra é, na maior parte das vezes, iluminada o dia inteiro, este inversor é
a escolha mais económica e que requer menos manutenção. Visto que as habitações a
analisar são ligadas à rede, garantimos o mesmo faseamento na corrente elétrica, o que
permite a introdução de vários inversores.
Uma outra alternativa são os microinversores, os quais são a escolha mais
eficiente. Mesmo dentro da mesma marca, cada painel é único em si, e não têm exatamente
as mesmas características, o que leva á unicidade da curva I-V ideal de cada um. Associando
um microinversor a cada painel, garante-se a geração de energia no seu ponto de MPPT, em
vez da aproximação feita pelo conjunto da série de PV com o inversor anterior. No entanto,
o acréscimo de um inversor por painel aumenta imenso os custos de instalação, sendo mais
aplicado para situações em que os painéis divergem nas suas características muito entre si,
tal como o caso da adição de novos painéis por extensão do sistema, sendo muitas vezes,
novos modelos, ou diferenças de perfil de sombreamento.
Independentemente do tipo de inversor escolhido, haverá a conversão da
eletricidade para uma corrente alternada, normalmente de voltagem 240 Vac, a qual é
utilizada na habitação e na rede distribuidora. Como tal, os inversores devem ser ligados,
entre si de modo a manter a voltagem de saída de cada um deles, o qual é feito por um
combinador AC. Deverá haver sempre o cuidado de alimentar os inversores com voltagem
suficiente para o seu funcionamento, mas sempre menor do que o seu limite máximo. Por
último, a eficiência do inversor é variável com a relação da energia de entrada com a sua
energia de saída. Esta tende a manter-se constante após o seu pico ser atingido, mas requer
uma certa potência para tal. Assim, o utilizador deve ter este fator em conta, e é recomendado
consultar a sua curva de eficiência antes de fazer qualquer tipo de escolha definitiva.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 13
2.1.4. Baterias
O aumento da adesão da energia fotovoltaica e posterior maturação levam a uma
diminuição de incentivos iniciais à sua aquisição, incluindo a redução das tarifas na venda
da eletricidade em excesso. A associação desta ao aumento do custo da compra da
eletricidade à rede e às diferenças existentes entre os perfis de consumo e a produção de
energia fotovoltaica poderão promover a inclusão de baterias nos sistemas fotovoltaicos. O
seu uso é ainda mais justificado caso os utilizadores recorram a tarifas bi-horárias ou tri-
horárias, dado que existirá ainda menor compra de energia nas alturas de alto consumo. O
mercado das baterias é vasto e possui inúmeros tipos, destacando-se dois deles: as baterias
de chumbo-ácido, líderes do mercado e com um custo de adesão reduzido, e as baterias de
iões de lítio, relativamente recentes, mas com o crescimento em adesão enorme. Embora
possuam um investimento mais elevado, quando comparadas com as baterias de chumbo
ácido, as suas vantagens fazem com que o seu preço tende a baixar cada vez mais: requerem
menor manutenção, tempo de vida mais prolongado, flexibilidade nos ciclos de
carga/descarga e uma profundidade de descarga acima de 80 % sem prejudicar a vida do
equipamento, sendo mais acessíveis. Estas poderão ser ligadas em DC ou em AC, sendo as
primeiras mais eficientes e económicas, mas são usados maioritariamente com inversores
centrais, pois é possível ligar ao sistema fotovoltaico sem a aquisição de um inversor para a
bateria. A ligação AC requer maior investimento, mas é mais flexível em termos de
instalação e permite a utilização de inversores em string ou Microinversores sem a aquisição
de um inversor para a bateria, aumentando a eficiência do sistema.
Qualquer que seja o tipo escolhido, uma análise cuidadosa deve ser feita na opção do
equipamento, dado que este é o elemento que requer maior investimento, e que está sujeito
a uma ou mais substituições durante a vida útil do sistema fotovoltaico. A sua aquisição
requer também a compra de outros componentes, destacando-se os controladores de carga,
sendo estas maioritariamente MPPT, que aceitam e ajustam a voltagem de entrada com a
desejável de saída, aproveitando ao máximo a potência gerada pelos painéis.
A existência de vários picos durante o dia conduz à constante carga e descarga da
bateria, o que reduz o seu tempo de vida útil do armazenamento. Em termos simplistas, a
bateria deve ser selecionada com base na sua capacidade total, descargas, tempo de vida e
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 14
custos. Verificando o segundo fator, para evitar a rápida degradação da capacidade da
bateria, as baterias de ácido de chumbo nunca são descarregadas por completo, atingindo
uma certa percentagem da capacidade, normalmente, 50 %, a qual é dependente do tipo de
bateria. Este intervalo de potência é estável na bateria, e é prolongado o tempo de vida da
mesma.
É preferível a existência de um balanço entre a capacidade e o número de baterias.
Quanto mais baterias ou capacidade um sistema fotovoltaico tiver, mais energia pode ser
armazenada, e, por haver mais baterias, o sistema de armazenamento poderá ser
descarregado em ciclos menores, melhorando o período de vida do próprio. O mesmo se
pode aplicar ás baterias de iões de lítio, mas estas apresentam uma margem muito maior,
sendo que o seu regime estável se prolonga até aos 80 % de descarga, e não é demasiado
prejudicado com descargas a 100 %.
2.1.5. Perdas por fatores exteriores
Quando aplicado a condições reais, a eficiência do sistema fotovoltaico não depende
apenas dos painéis: a junção de outros equipamentos e consideração de fatores atmosféricos
e exteriores diminuem a energia gerada que chega à habitação. Embora alguns possam ser
desprezados, há fatores que têm de ser tidos em conta.
2.1.5.1. Sombreamento
As células fotovoltaicas geram energia elétrica com uma certa intensidade e voltagem
de corrente. Visto que são conectadas em série dentro de um painel, e considerando que
todas as células são idênticas e recebem radiação da mesma fonte, é calculada a energia
gerada pela relação a um circuito elétrico equivalente, com a intensidade de uma célula e a
sua voltagem multiplicada pelo número de células envolvidas. No entanto, basta que uma
célula receba menor radiação solar para que a corrente diminua a sua intensidade, o que irá
afetar a potência. Como tal, no caso de um grupo de células em série, se uma delas se
encontrar completamente sombreada, a intensidade envolvida será drasticamente reduzida.
A zona sombreada não só reduz a potência gerada mas também passará a consumir energia
[9], [10], reduzindo a energia que chega à habitação e podendo causar danos permanentes
no painel, devido ao risco de sobreaquecimento local [11]. Para segurança, é comum a
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 15
incorporação de bypass diodes nos painéis, os quais permitem um caminho alternativo à
corrente elétrica, caso a célula esteja sombreada, de forma a não influenciar o resto das
células negativamente [12]. Como a introdução de um bypass diode por célula é muito cara,
a abordagem mais comum é de dividir o painel em 2 ou 3 grupos, cada com o seu bypass
alternativo. Assim, se uma célula se encontrar totalmente sombreada, o painel continuará a
produzir energia com as células iluminadas dos restantes grupos, sem danificar o grupo onde
se encontram as células sombreadas.
Este é um método de segurança para o próprio painel. Caso se interliguem os
painéis de um sistema em série, o fenómeno repete-se entre os mesmos, sendo então
introduzidos os mesmos componentes entre painéis. De forma análoga, um painel sombreado
não irá afetar a produção de toda a série, ficando num estado considerado inativo. Com estes
problemas, e dado que a área disponível num edifício é, na maior parte das vezes, limitada,
é preferível colocar os painéis do sistema todos apenas numa fila única. De notar que, caso
este não aconteça, e o cenário é um de múltiplas strings, deve ser estabelecida uma distância
mínima entre séries de painéis, devido ao risco de sombreamento entre os mesmos. Na Figura
6 é mostrada a produção de uma série de painéis mensal, com altura de 1.016 m, inclinação
de 30º, e orientação de 180º, calculada a partir do EnergyPlus.
De modo a existir uma geração de energia constante e segura, é necessário que os painéis
sejam iluminados por completo, implementando uma distância entre painéis, de modo a
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00
Produção média de 4 paineis SunPower SPR X21-345 (kWh)
Março Junho Setembro Dezembro
Figura 6 - Energia produzida por 4 painéis SPR X21-345 em Coimbra
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 16
evitar o sombreamento entre os mesmos.
Esta distância é apresentada na Equação ( 1 ), sendo função de relações
trigonométricas entre o posicionamento do painel e o posicionamento solar, obtido pelo
mesmo programa, e o qual poderá ser verificado em anexo.
Com base nesta equação e na produção indicada previamente, foi criada a Figura 7,
na qual é ilustrada a distância que deve existir entre duas filas de painéis fotovoltaicos nas
horas de maior produção – neste caso, acima de 100kW - em Coimbra, de modo a garantir
uma geração de energia constante e segura. Foram considerados um azimute de 180º e
inclinação de 30º, o posicionamento mais comum em termos residenciais.
Como se pode observar, a distância em Dezembro é maior do que em qualquer outra
distância de outro mês, resultado de uma redução da altura do Sol. Ainda se analisou o
cenário de painéis orientados a Sudoeste, 225º, com mesma inclinação, de maneira a verificar
o efeito da orientação dos painéis no sombreamento, tal como é mostrado na Figura 10.
Relacionando as duas figuras, conclui-se que a distância marcada pelo sombreamento ás
16:00h de dezembro é uma boa referência da distância a existir entre painéis. Apresenta
valores maiores do que o resto dos dados dos outros meses, com exceção de setembro em
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00
Larg
ura
da
som
bra
[m
]
Horas
Sombreamento entre paineis orientados a Sul
Março
Junho
Setembro
Dezembro
𝐿𝑠𝑜𝑚𝑏𝑟𝑎 = 𝐻 ×
𝑠𝑒𝑛(𝛼𝑃𝑉) × cos (𝜑𝑃𝑉 − 𝜑𝑠𝑜𝑙)
tan (𝜃𝑠𝑜𝑙)
( 1 )
Figura 7 - Distância entre painéis sem sombreamento, de azimute 180º, em Coimbra
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Miguel Sousa 17
orientação de 210º, na qual possuem valores semelhante, garantindo uma boa iluminação
anual nas alturas principais de produção, para a grande parte das orientações a otimizar.
É mais realista associar a hora do gráfico à sua hora anterior, dado que o EnergyPlus
analisa em intervalos de tempo, dando prioridade ao tempo inicial. Logo, às 16:00 h, o valor
é predominantemente influenciado das condições existentes às 15:00 h [13]. Qualquer hora
posterior a esta teria aumento de distância demasiado significativo para uma pequena
produção, sobretudo no mês de Dezembro. Assim, de modo a garantir que não haja
sombreamento em horas de produção significante, será imposta a distância representativa a
21 de dezembro, dia mais curto do ano, com a posição solar às 15:00 h (16:00 h no software).
De lembrar que este caso é válido para o hemisfério Norte, ocorrendo o oposto, para o dia
21 de junho, para o hemisfério Sul.
2.1.5.2. Outras perdas
A temperatura das células afeta a conversão de energia fotovoltaica, sendo que
a eficiência das células aumenta com a diminuição da sua temperatura [14]. O programa
utilizado considera condições NOCT para o cálculo desta temperatura de células e os seus
efeitos na eficiência do painel. Para além desta, existem outras perdas que devem ser
consideradas e aproximadas em termos percentuais. Tendo em base estudos prévios e
modelos de simulação semelhantes, representa-se na Tabela 1 – Perdas mensais médias
envolvidas no sistema fotovoltaico as perdas que serão consideradas:
0
0,5
1
1,5
2
2,5
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00
Larg
ura
da
som
bra
[m
]
Horas
Sombreamento entre paineis orientados a Sudoeste
Março
Junho
Setembro
Dezembro
Figura 8 – Distância entre painéis sem sombreamento, de azimute 210º, em Coimbra
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Miguel Sousa 18
As perdas por poeiras são as mais imprevisíveis, visto que são dependentes de
muitos parâmetros envolventes na localização e no clima. Portugal é um país caracterizado
com uma exposição a poeiras moderada e, de acordo com vários estudos, estas perdas
situam-se normalmente entre os 2 % e os 5 % mensais [15] [16] . Foi selecionado uma média
de 5 % de perdas por estas mesmas, não só por ser o pior caso possível, como também para
ter em conta as consequências adversas de eventos extraordinários, tais como as poeiras
provenientes do deserto Sahara. Outros programas de simulação energética aplicam a mesma
metodologia. O programa SAM-NREL aplica o mesmo valor de 5%, enquanto que outros
programas, como o PVWatts e PVSyst,, associam apenas valores de 2 % e 3 %,
respetivamente.
Para além destas, acrescem as perdas por decaimento dos equipamentos. Os PV
apresentam um decaimento no início do seu funcionamento, e, a partir daí, um decaimento
linear anual menor, sendo sempre superior, normalmente, a 80 % da sua eficiência em 25
anos. Os inversores possuem decaimento muito reduzido, sendo então desprezado. Já a
degradação das baterias é muito dependente do tipo de bateria, temperaturas e ciclos
envolvido. Na maioria dos casos, é considerado um decaimento linear até 80 % da sua
capacidade no final de 10 anos.
Após a atribuição de todas as perdas exteriores, é calculada a sua perda total, em
termos percentuais, sendo dada pela seguinte fórmula:
Tabela 1 – Perdas mensais médias envolvidas no sistema fotovoltaico
Perdas %
Eficiência Calculadas no EnergyPlus Temperatura
Perdas térmicas nos cabos DC 2
AC 1
Ligações entre elementos 0.5
Poeiras 5
Diferença nas condições dos PV 2
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Miguel Sousa 19
A Figura 9 demonstra vários dos fatores envolvidos na presença de poeiras. Dado
que muitos deles são imprevisíveis, é sempre recomendada a sua consideração por
aproximação, e, claro, uma manutenção cuidada dos painéis, de modo a minimizar estas
mesmas perdas.
Figura 9 - Diversos tipos de perda por poeiras [15]
2.2. Legislação e custos envolvidos
Ao longo dos anos, a maturação da tecnologia fotovoltaica tem vindo a causar o
decréscimo do seu investimento e até aumento da sua eficiência, levando a um maior
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠(%) = 100 × [1 − ∏ (1 −𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑥
100)
𝑛
𝑥
]
( 2 )
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Miguel Sousa 20
interesse de adesão por parte da sociedade. No entanto, de modo a garantir a sustentabilidade
técnica e económica, várias modificações foram feitas à legislação ao longo dos anos,
envolvendo diminuição de taxas incentivadores e tarifas bonificadas, e a adoção de apoios
alternativos. Sendo esta muito dependente do país em questão, deve ser analisada antes de
qualquer planeamento.
No caso de Portugal, de modo a promover as instalações de produção decentralizada,
de maneira regulada, foi criado o Decreto-Lei n.º 153/2014, que ainda se encontra em vigor
em 2018. Este cria os regimes jurídicos aplicáveis à produção de eletricidade, dividindo esta
em duas vertentes: uma destinada tanto ao autoconsumo – UPAC – e outra à venda à rede
elétrica de serviço – UPP [17]. Para complementar, foram ainda criadas portarias, as quais
esclarecem diversos detalhes destes sistemas:
• Portaria n.º 14/2015
Procedimento para mera comunicação prévia para UPAC;
Controlo prévio no âmbito UPAC e para UPP (injeção total RESP);
Montante das taxas previstas no Decreto-Lei n.º 153/2014;
• Portaria n.º 15/2015
Fixação da tarifa de referência aplicável às UPP;
Determinação das percentagens a aplicar à tarifa de referência;
• Portaria n.º 60-E/2015
Alteração da Portaria n.º 14/2015, de modo a “densificar os procedimentos
para o acesso às categorias II (veículos etéricos) e III (solar térmico) do
regime remuneratório aplicável às UPP.”
Para sistemas UPAC, o modelo proposto presume a adequação da energia produzida
ao regime de consumo. No caso de eventuais excessos de produção, o utilizador poderá optar
por um sistema regulador ou pela injeção na RESP, sendo que a sua produção nunca poderá
ultrapassar as necessidades de consumo.
Já os sistemas UPP injetam a totalidade da sua energia produzida na rede, com a
produção a ser limitada pelo mínimo entre o dobro do consumo de instalação ou 250 kW,
sendo a habitação alimentada puramente pela energia comprada à rede.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 21
Ao rever o regime em vigor, pretende-se que a escolha da unidade de produção seja
adequada ao perfil de consumo verificado no local, reduzindo, assim, a vertente “negócio”
em mente. Evitando este último, foram aplicadas diversas limitações e requisitos aos
sistemas, tais como limitações do sistema de produção, requisitos de instalação e taxas sobre
estes mesmos, dependendo da potência instalada, tal como é ilustrado na Tabela 2.
Tabela 2 – Taxa de Registo de Unidades de Produção de acordo com a sua Potência
Potência da UP Taxa de Registo
UPAC sem injeção UPP ou UPAC com injeção
< 1,5KW N.A. 30
1,5 kW – 5,0 kW 70 100
5,0 kW – 100kW 175 250
100 kW – 250kW 300 500
250 kW – 1MW 500 750
Excluindo os sistemas UPAC abaixo de 1,5 kW sem injeção, os sistemas são
obrigados a uma inspeção após instalação, sendo submetidos ao pagamento desta mesma, a
qual varia com a taxa de registo, sendo 30 % do valor da própria, reduzindo para 20 % em
casos de inspeção periódica, os quais ocorrem uma vez em cada 10 anos.
Devido a tal, muitos dos kits vendidos ao consumidor são abaixo de 1,5 kW, de modo
a manter um investimento baixo, livre de burocracias e na qual a grande parte da energia
produzida, se não toda, é consumida pela habitação.
A renumeração da energia injetada já é dependente do tipo de sistema. Pelo mesmo
Decreto-Lei, desde que a potência respeite os limites estabelecidos, a energia excedente de
sistemas UPAC de fonte renovável, e abaixo de 1 MW, tem a opção de vender ao CUR,
sendo valorizada pelo valor do mercado, deduzindo 10 % como compensação dos custos de
injeção.
Para a venda de energia à rede, a renumeração em UPAC mantém-se por 10 anos,
sendo o contrato renovável por 5 anos, salvo oposição por qualquer uma das partes com 60
dias de antecedência. O valor do mercado livre muda constantemente, sendo dependente de
𝑹𝑼𝑷𝑨𝑪,𝒎 = 𝑬𝒇𝒐𝒓𝒏𝒆𝒄𝒊𝒅𝒂,𝒎 × 𝑶𝑴𝑰𝑬𝒎 × 𝟎, 𝟗 ( 3 )
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 22
diversos fatores, como o clima, situação económica global, dinâmicas de oferta/procura nível
de água nas centrais hidroelétricas, políticas ambientais, entre outros. Na Península Ibérica,
este preço é regularizado pelo Mercado Ibérico da Eletricidade – MIBEL – tendo dois polos
operadores disponíveis: um em Portugal (OMIP) e outro em Espanha (OMIE). A partir
destes, o utilizador possui transparência total para analisar o preço da eletricidade no
momento. A média aritmética de 2017 para Portugal, do preço da eletricidade no mercado,
é de 52.48 €/MW.
De lembrar que esta renumeração requer as condições indicadas anteriormente
para a injeção de rede. Para além disso, acresce ainda uma compensação caso a sua potência
seja superior a 1,5 kW, a qual se torna efetiva apenas se a UPAC exceda 1 % da potência
instalada pela SEN – 180 MW anuais. Será cobrada uma compensação mensal, durante 10
anos, do valor de 30 % de CIEG ou, caso seja superior a 3 % da potência instalada, 50 %,
representado por Kt na equação seguinte.
𝐶𝑈𝑃𝐴𝐶,𝑚 = 𝑃𝑈𝑃𝐴𝐶 × 𝑉𝐶𝐼𝐸𝐺,𝑡 × 𝐾𝑡 ( 4 )
Os Custos de Interesse Económico Geral, 𝑉𝐶𝐼𝐸𝐺,𝑡 são dependentes de muitos
fatores, variando desde a fonte da energia produzida, a políticas ambientais e sobrecustos de
produção, e encontra-se fixo desde 2014 em 4,82 €/kWh, desde que se encontre em termos
de baixa tensão nominal (inferior a 20,7 kVa), o qual é o caso predominante em residências
e escritórios. De notar que, se a potência nunca exceder os 180 MW anuais, o utilizador não
é sujeito a pagar esta taxa, sendo esta aplicável apenas a grandes sistemas.
As UPP possuem uma renumeração diferente. Dado que o seu objetivo é a venda,
e não o consumo, o seu valor é estabelecido anualmente por uma tarifa atribuída por
mercados de licitação. Para 2018, segundo a Portaria n.º 32/2018, são estabelecidas as
mesmas condições das fixadas em 2015. Pela Portaria n.º 15/2015, a tarifa de referência
aplicada é de 95 €/MWh, tal como as percentagens aplicáveis consoante o tipo de energia
primária, sendo a energia fotovoltaica contabilizada a 100 % do valor estabelecido. Para
além disso, é limitada à venda de 2,6 MWh/ano, e, segundo a Portaria n.º 60-E/2015, a sua
renumeração é influenciada em três categorias distintas, dependendo do que o produtor
pretenda instalar no local:
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Miguel Sousa 23
• Categoria I - Instalação única de uma UPP;
• Categoria II -Instalação de uma UPP e de uma tomada elétrica para
carregamento de veículos elétricos,
• Categoria III - Instalação de uma UPP e de coletores solares térmicos
com mínimo de 2 m2 de área útil de coletor ou de caldeira a biomassa.
A estas categorias, haverá um acréscimo à renumeração da tarifa de referência
de, respetivamente, 0 €/MWh, 5 €/MWh e 10 €/MWh. Após os 15 anos destinados, o sistema
é considerado um produtor de regime especial, o qual é renumerado por tarifas baseadas nos
custos evitados pelo SEP.
De notar que podem existir limitações na construção civil do telhado, de acordo
com outros fatores não fotovoltaicos, como a segurança dos trabalhadores e códigos de fogo
em caso de incêndio, limitando a área de colocação de PV, mas estas não se encontram
estritamente definidas no regulamento de Portugal.
2.3. Conclusões
Existem inúmeros fatores a ter em conta antes de começar o estudo, e muitos
deles são imprevisíveis ou em constante mudança com o tempo. De modo a obter uma
abordagem mais realista, foi necessária a definição dos mais importantes e a sua justificação.
Assim, e tendo em conta que o estudo será numa base anual, várias metodologias e
considerações iniciais foram tomadas:
• Os painéis a utilizar serão de silício cristalino do tipo BAPV. A escolha de BIPV
também é possível com a mudança dos custos de material. No entanto, caso esta
seja adotada, é recomendada uma nova análise de otimização, devido á diferença
de trocas térmicas pela alteração do material;
• Os painéis deverão ser sempre posicionados de modo a receber radiação total nas
horas de maior exposição solar, ou seja, no intervalo 09:00 – 15:00;
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Revisão bibliográfica
Miguel Sousa 24
• Os inversores serão considerados do tipo string, e fornecidos com energia
suficiente para funcionarem com eficiência constante e de forma segura;
• Sistemas UPAC serão o alvo principal desta dissertação. Caso haja área
disponível após a otimização em UPAC, pode-se optar por UPP como instalação
única, de categoria 1;
• A potência do sistema irá influenciar o custo de taxas legislativas a serem pagas;
• Para a degradação dos equipamentos, é considerada uma média no período
estudado, e que este valor se mantém constante durante todos os anos. Logo, no
período de 25 anos, considera-se o funcionamento do sistema fotovoltaico com
painéis no estado equivalente do 13º ano, e inversores no seu 5º ano funcional;
• Por último, considera-se que o utilizador possui investimento puramente de
capitais próprios e uma tarifa simples de eletricidade, na qual o seu preço não se
altera ao longo do dia, e que tanto este preço, como o de venda à rede, serão
constantes ao longo do período de 25 anos.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 25
3. METODOLOGIA
A implementação de soluções de eficiência energética é eficaz e benéfica para o
edifício, mas estas soluções são ainda mais eficientes nas fases iniciais de projeto, dada a
sua maior simplicidade de integração. A alteração do design da construção para uma
geometria mais adequada aos âmbitos de energia e de conforto é crucial para uma boa
sustentabilidade energética, sendo mais fácil a sua transformação num nZEB.
De modo a auxiliar este passo, foi desenvolvido pela equipa de investigação
Ren4EEnIEQ [18] a SapTool, uma ferramenta de apoio que recorre a dois motores de
simulação: EnergyPlus, para uma análise térmica, e Radiance, para uma análise de
iluminação e conforto visual [19]. Com estes dois motores, e recorrendo a uma larga base de
dados, o SapTool irá criar vários modelos de edifício, cada um com as suas próprias
características, sendo então uma ferramenta em constante desenvolvimento [20]. Esta
geração é feita da seguinte forma ordenada, sendo cada passo respetivo a uma função
distinta:
• Especificações de construção, localização e sistemas de climatização e de
produção de energia pretendidas pelo utilizador – LSP;
• Geração de várias plantas arquitetónicas – EPSAP;
• Transposição para os motores de simulação EnergyPlus (IDFParser) e Radiance
(RadParser);
• Simulação dinâmica do edifício – BPS;
• Otimização das plantas e sistemas de acordo com os parâmetros do utilizador –
FPOP;
• Visualização das plantas, relatórios e gráficos finais correspondentes á simulação
dinâmica – GUI.
Assim, é utilizado o LSP para guardar todas as características do edifício. Após isso,
de modo a auxiliar o arquiteto nas fases inicias de projeto, onde de planeia o desenho das
plantas do chão de todos os quartos do edifício [21], aplica-se o EPSAP,
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 26
Esta ferramenta gera estas plantas de forma a determinar a melhor colocação e
dimensionamento de diversas divisões, de acordo com as limitações impostas. Assim,
consegue-se superar o problema de alocação de espaço (SAP) e respeitar a tipologia com
uma geometria satisfatória [22], [23].
Após estes criados, procede-se á simulação dinâmica do edifício, a partir do BPS,
interligando as plantas criadas da ferramenta anterior com o simulador de energia,
EnergyPlus, e com a análise de iluminação e conforto visual fornecidos pelo Radiance. Esta
simulação dinâmica é dependente dos critérios a utilizar, podendo ser otimizado em termos
de consumo – eletricidade ou água - ou de conforto – térmico ou visual.
Com este feito, o edifício será otimizado via FPOP, alterando as variáveis
geométricas do edifício num processo de otimização, de modo a melhorar o comportamento
térmico das plantas. Por outras palavras, procede-se a uma simulação dinâmica repetitiva,
na qual se modifica o design do edifício, de modo a encontrar a situação ideal para os
critérios impostos [24], [25]. Neste trabalho, o melhor edifício será aquele que possui melhor
eficiência energética, levando a menores consumos de eletricidade e, por consequência, a
menor necessidade de equipamentos de autoconsumo. Por último, o edifício e os resultados
obtidos podem ser verificados a partir do GUI.
O desenvolvimento desta tese pretende melhorar o processo de otimização e,
como tal, tem o objetivo futuro de integrar no processo FPOP.
Os subcapítulos que se seguem irão detalhas a metodologia desta dissertação.
Esta recorreu ao auxílio de diversos programas, sendo que dois deles foram cruciais para o
funcionamento da ferramenta: EnergyPlus e GenOpt. Sendo a base desta tese, muitas das
decisões foram tomadas de forma a acomodar com o bom funcionamento de ambos os
programas, tendo em conta também as suas limitações. Quaisquer informações mencionadas
nos capítulos seguintes sobre ambos estes programas e elementos envolvidos poderão ser
consultadas com mais detalhe na sua documentação respetiva [13], [26], [27].
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 27
3.1. Considerações iniciais
Dada a imprevisibilidade de certos fatores, a simulação de casos reais é sujeita a
aproximações baseadas em eventos passados semelhantes. EnergyPlus não é exceção. Sendo
um simulador focado na análise energética de edifícios, a produção fotovoltaica é calculada
de forma aproximada, considerando condições ideais e otimistas. No entanto, estas
condições ideais estão longe de ser realistas, e serão feitas aproximações para o que não é
tomado em conta na simulação. Destas perdas, deve-se destacar o sombreamento. Como foi
referido anteriormente, este é um dos maiores fatores a ter em conta no dimensionamento do
sistema e, infelizmente, o EnergyPlus não é adequado para o ter em conta. Os modelos de
sombreamento existentes nesta altura foram criados com o edifício em mente e, como tal,
assume que a radiação solar que entra numa zona da habitação incide sobre as superfícies
interiores, sendo estas afetadas pelos padrões de sombreamento causados por superfícies
exteriores. No entanto, este sombreamento não é projetado entre superfícies exteriores,
podendo haver casos que um PV sombreado esteja a produzir mais do que um painel
iluminado, dado que o sombreamento é desprezado, mas a radiação refletida por outras
superfícies não o é.
Tendo isto em conta, executou-se o EnergyPlus com o edifício criado sem painéis,
de modo a obter a geometria deste mesmo, perfil de consumo e o posicionamento solar do
local. Recorrendo ao SketchUp, um software de modelação 3D, foi possível analisar as áreas
disponíveis para o sistema fotovoltaico, e o sombreamento causado nestas por outras
superfícies ou objetos. A área disponível foi dividida em 3 categorias:
1. Área iluminada, a qual não possui qualquer sombreamento durante o ano;
2. Área parcialmente sombreada, a qual possui sombreamento apenas nas
horas de menor radiação;
3. Área sombreada, a qual possui sombreamento nas horas de maior
radiação.
Também deve ser estabelecida uma distância de segurança entre os painéis e as
margens do telhado, de modo a garantir a segurança dos funcionários durante a sua instalação
e manutenção e da estrutura fotovoltaica, evitando grandes esforços causados pelo vento.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 28
Esta distância é dependente da intensidade e frequência do vento, da localização, da
inclinação dos painéis e ainda da estrutura em questão, sendo recomendado um valor pelo
instalador escolhido. Importante notar que poderão haver maiores restrições à área, como
leis impostas pelo departamento de bombeiros, dependendo da localidade. Estas áreas,
incluindo a sombreada, não serão consideradas na área disponível para a colocação de PV,
sendo as outras duas categorias as únicas a ter em conta.
3.2. Simulação energética
Para o edifício criado, será feita uma nova avaliação do desempenho energético. Os
algoritmos mencionados foram interligados com o EnergyPlus, introduzindo agora o sistema
fotovoltaico, sendo o único sistema produtor de energia da habitação. Para introdução de tal,
serão utilizadas as funções-base do programa, sendo demonstradas na Figura 10 as funções
que requerem um input inicial e escolhido pelo utilizador. Uma explicação mais detalhada
será dada neste subcapítulo, de modo a destacar importâncias e escolhas de cada elemento
de integração.
Figura 10 – Esquema das funções responsáveis pela implementação do sistema fotovoltaico (EnergyPlus)
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 29
3.2.1. Painéis fotovoltaicos
De modo a garantir resultados mais verídicos possíveis, foram tomados em conta
vários fatores que influenciam esta produção, os quais foram referidos já no capítulo de
revisão bibliográfica. Para cada escolha possível no EnergyPlus, foi feita uma comparação
com o caso idêntico calculado em SAM, um modelo de previsão de desempenho e de cálculo
financeiro em projetos ligados à rede, não só de energia solar, mas também de outros tipos
de energia renovável, desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável dos
Estados Unidos da América (NREL), com fundos do seu Departamento de Energia e
colaboração com os Laboratórios Nacionais SANDIA, responsáveis por testes específicos
em painéis fotovoltaicos. Dado o grande investimento e suporte, os resultados gerados são
boas aproximações da realidade e, como tal, uma boa base de comparação para os nossos
resultados.
Para definir as características dos PV, associa-se a uma superfície –
Shading:Building - um modelo característico do EnergyPlus para o desempenho de um PV
– Photovoltaic Performance -, o qual será associado a um Generator:Photovoltaic, sendo
este ainda colocado num EletricLoadCenter, de modo a interligar com os restantes
componentes do sistema.
3.2.1.1. Photovoltaic:Performance
Os modelos disponíveis diferem entre si em termos de simplicidade e precisão
dos resultados. O PhotovoltaicPerformance:Simple é um modelo simplista, no qual apenas
é indicada a eficiência fixa do painel, calculando a energia produzida a partir desta e da
radiação incidente na superfície estabelecida. No entanto, a simplicidade do método acresce
pouca precisão a casos reais, tal como a diminuição da eficiência dos painéis com o aumento
da temperatura, havendo grandes divergências na análise durante a época de Verão.
Os outros modelos têm estas alterações em conta. Através da comparação
aproximada com um circuito elétrico equivalente, o
PhotovoltaicPerformance:Equivalent:One-Diode é um modelo mais realista, sendo
necessário indicar certos parâmetros característicos do painel, como as intensidades de
corrente e voltagens para condições máximas e de curto-circuito, as quais se encontram
presentes nas especificações técnicas do próprio painel. Devido a estas características, este
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 30
será o modelo principal a ser utilizado. Foi simulado o desempenho de painéis fotovoltaicos
no EnergyPlus, utilizando modelos de cálculos distintos e também painéis distintos de cada
simulação. Para confirmar a exatidão dos cálculos, simulou-se o caso idêntico em SAM e
procedeu-se à comparação da sua produção mensal, tal como é demonstrado nas Figura 12
e Figura 11.
Os gráficos demonstram dois dos vários testes feitos em painéis em EnergyPlus,
sendo um deles monocristalino e outro policristalino. É apresentada a produção de 14
painéis, em séries de 7, orientados a Sul, com 35º de inclinação, sem sombreamento, e tendo
em conta apenas em conta as perdas por eficiência e por temperatura, desprezando, neste
exemplo, qualquer perda externa em ambos os programas.
0
200
400
600
800
1000
1200
Produção Energética 14 x LG365Q1C-A5 (kWh)
Photovoltaic:Simple
Photovoltaic:EOD
SAM
0
200
400
600
800
1000
Produção Energética 14 x JinkoSolar JKMS320PP-72 (kWh)
Photovoltaic:Simple
Photovoltaic:EOD
SAM
Figura 12 - Produção Anual de um sistema fotovoltaico policristalino em Coimbra
Figura 11 - Produção Anual de um sistema monocristalino em Coimbra
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 31
Como se pode observar, o método simplista apresenta divergências que atingem
valores acima dos 10 % na época do Verão, sendo, portanto, uma opção não viável. Já o
Equivalent:One-Diode apresenta muita pouca variação, sendo então uma boa escolha. A
semelhança mantém-se em ambos os casos cristalinos, independentemente das suas
características, havendo apenas diferença de geração de produção em casos de tecnologias
recentes, como painéis bifaciais ou transparentes.
Para além destes métodos, existe ainda a PhotovoltaicPerformance:Sandia, a qual
oferece resultados mais precisos que os outros dois modelos, definindo o comportamento de
um único painel através de inúmeros coeficientes obtidos após testes específicos nos
laboratórios SANDIA. Devido ao número limitado de painéis que possuem esta informação,
em junção como tempo necessário para a finalização de tais testes e evolução constante do
mercado fotovoltaico, este método não foi utilizado.
Por último, durante a redação desta dissertação, foi adicionada uma nova função com
a versão 8.9 do EnergyPlus: PVWatts, um modelo simplista já existente. Ao contrário dos
outros modelos, este não recorre a área e eficiência, mas sim à capacidade do sistema
fotovoltaico total, e sua orientação. Devido à recente adesão, encontra-se com diversos
problemas a serem resolvidos, podendo ser uma mais valia no futuro.
É importante notar que o EnergyPlus só resolve problemas de energias e
potência, não de corrente e voltagem, o que significa limitações da voltagem e intensidade
da corrente elétrica definidos no capítulo anterior não são tidos em conta. O utilizador deve
ter a precaução não só de ter esta abordagem otimista em conta, como também de não sobre
dimensionar a voltagem e/ou correntes do sistema fotovoltaico, assim como evitar o máximo
de sombreamento possível.
3.2.1.2. Generator:Photovoltaic
Com a superfície e o tipo de painel adicionados, é possível criar um gerador
fotovoltaico a partir da função Generator:Photovoltaic. Para um cálculo de temperatura das
células mais realista, é usado o modelo de transferência de calor Decoupled, o qual recorre
a cálculos de balanço energético baseado na NOCT – Nominal Operating Cell Temperature.
Estas condições são diferentes das STC presentes nos catálogos, mas assemelham-se mais à
realidade, e têm em conta a mudança da eficiência com a mudança da temperatura.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 32
De notar que serão apenas utilizadas a orientação e posicionamento da superfície
associada ao gerador. Qualquer tipo de material associado e propriedades relacionadas com
a radiação incidente não serão consideradas pelo próprio software, o que poderá causar
alterações no nível de produção energética, sobretudo em modelos fotovoltaicos mais
complexos.
3.2.2. Estrutura de suporte
Na altura da redação desta dissertação, o programa não dispõe de uma opção
para a adição de sistemas que causem a alteração do ângulo dos painéis. Para além disso, as
superfícies criadas no EnergyPlus são fixas e não podem ser alteradas ao longo de um ano.
Como tal, foi considerada a seguinte metodologia: para cada painel não fixo
adicionado, recorre-se à introdução de múltiplas superfícies. Cada uma delas correspondente
a um posicionamento único anual (inclinação e orientação) do sistema, sendo apenas
funcionais na altura destinada a essa posição. No exemplo de um painel semestral, que possui
duas inclinações anuais distintas, haveria correspondência no EnergyPlus de duas
superfícies, sendo orientadas, em termos otimizados, para os semestres “Verão” e “Inverno”.
Após o estabelecimento de um gerador para cada superfície, seria alterada a eficiência do
sistema total, de modo a que cada gerador contribua com energia apenas para o semestre que
está destinado, sendo nula no semestre contrário. Por outras palavras, serão inseridos 𝑥
painéis no software para um painel com 𝑥 posições únicas, sendo que um painel programado
apenas irá gerar energia nas alturas em que o PV real se encontre com a mesma posição.
As respetivas superfícies serão afastadas do edifício e entre outras superfícies,
de modo a não causar sombreamento entre si. Para impedir a produção de energia, terá de
ser implementado o sistema de painel inteiro, ou seja, para cada posição, haverá
correspondência em funções de superfície, gerador, inversor e distribuidor, sendo o inversor
o responsável por impedir a produção de energia quando não é desejável, detalhando no
subcapítulo 3.2.33.2.3. É demonstrado a visualização gráfico do método via SketchUp, para
uma estrutura ajustável, na Figura 13.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 33
Figura 13 – Exemplo da implementação de um painel com inclinação semestral
Da mesma forma poderá ser aplicado aos outros tipos de estrutura. No entanto,
dado o elevado número de posições distintas durante o ano pelos seguidores solares, a
otimização de cada inclinação resultaria numa sobrecarga para a máquina em questão. De
modo a suavizar o processo, recorre-se ao posicionamento solar do local, o qual foi retirado
nas etapas iniciais, para calcular cada posição ideal. Para além disso, como o sol varia a sua
trajetória de dia para dia, foram consideradas médias mensais para cada hora, ou seja, haverá
uma inclinação e orientação constantes para uma determinada hora, não variando durante os
dias do próprio mês. Isto permite acelerar ainda mais o processo, dado que o número de
superfícies é diminuído da ordem dos milhares para a ordem das centenas. Assim, a estrutura
movível já se encontrará aproximadamente definida em termos de inclinação, sendo apenas
necessário o processo para determinar o número de painéis e, no caso de 1 eixo, da
orientação. Dado o número elevado da superfície, foram utilizadas folhas de cálculo Excel,
de modo a facilitar a sua situação, sendo esta visualizada pelo SketchUp, demonstrado na
Figura 14.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 34
Figura 14 - Exemplo da implementação de um painel de 2 eixos
O mesmo método será aplicado para séries de painéis que possuam perfis de
sombreamento, dividindo esses painéis em superfícies para funcionamento total, quando
estão iluminados, e demonstrando uma redução de eficiência – via outra superfície – quando
se encontram parcialmente sombreados. É assim simulada a inatividade dos painéis
sombreados devido à corrente passar em bypass, enquanto que o resto do sistema
fotovoltaico permanece em funcionamento. De forma a garantir que a introdução destas
estruturas é feita de forma viável e com uma produção credível, recorreu-se, mais uma vez,
à sua comparação com o programa SAM, o qual permite a introdução de tais sistemas.
Os resultados mantêm a mesma diferença quando comparados com os resultados
SAM, tal como é demonstrado na Figura 15, tanto para painéis semestrais, como para
seguidor solar de 2 eixos. Mesmo fazendo uma análise horária, na qual se esperaria maiores
discrepâncias, devido às diferenças de cálculo, não é ultrapassado o limite de 2,5 % de
diferença entre os resultados obtidos por ambos os softwares, sendo então uma maneira
viável para a aplicação de outro tipo de estrutura.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 35
Importante notar que a “separação” dos painéis em várias superfícies no
programa implica a separação de todo os elementos associados ao sistema. Assim, no caso
de geradores, inversores e EletricLoadCenters, recorreu-se a uma folha de cálculo de modo
a auxiliar na sua implementação, introduzindo cada elemento de maneira muito mais rápida.
Na inserção de uma bateria em sistemas de seguidores solares, é importante notar que a sua
energia armazenada não pode ser partilhada com outro sistema dentro do mesmo software,
sendo uma limitação encontrada. No entanto, uma aproximação que pode ser feita seja um
cenário em que haja mais do que um tipo de sistema, pode-se aplicar a bateria aos sistemas
fixos e variáveis. A energia produzida pelos seguidores solares será priorizada no consumo
pela habitação.
3.2.3. Outros elementos
Como o dimensionamento do sistema fotovoltaico afeta a parametrização de
todos os outros equipamentos envolvidos, estes serão analisados de forma simplista, de
modo a facilitar a sua alteração para a otimização do sistema, ao contrário das opções mais
específicas. Assim sendo, no caso dos inversores, será apenas necessário indicar a sua
eficiência, sendo que esta se mantém fixa durante o ano inteiro, para qualquer quantidade de
corrente elétrica.
Para além disso, como foi referido, ao optar pelo tipo de eficiência
Equivalent:One-Diode, não existe maneira de modificar a sua eficiência manualmente.
Assim, de modo a ter em conta as perdas referidas não consideradas pelo EnergyPlus, foi
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Produção energética TrinaSolar TSM-285-DD05A.08(II) (kWh)
Semestral EnergyPlus
Semestral SAM
2 eixos EnergyPlus
2 eixos SAM
Figura 15 - Comparação da produção mensal com estruturas diferentes
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 36
feita uma segunda abordagem: modificar a eficiência do inversor, diminuindo de acordo com
a intensidade das perdas, de forma a obter resultados mais realistas. Foram dividas estas
perdas em várias categorias, sendo 𝑃𝑉𝑒𝑓 e 𝑃𝑉𝑜𝑢𝑡 as perdas do painel pela eficiência e por
fatores exteriores, respetivamente, 𝑇𝐷𝐶 e 𝑇𝐴𝐶 as perdas térmicas nos cabos elétricos DC e
AC, e 𝐼𝑁𝑉𝑒𝑓as perdas do inversor pela eficiência. 𝑃𝑉𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 representa a junção das perdas
não consideradas pelo EnergyPlus, dada pelo produto percentual de 𝑃𝑉𝑜𝑢𝑡 com 𝑇𝐷𝐶 e 𝑇𝐴𝐶.
Figura 16 – Comparação do tratamento das perdas envolvidas.
A Figura 16 demonstra um exemplo simplificado da metodologia tomada,
representando o que acontece na realidade, no EnergyPlus e, por fim, na abordagem desta
dissertação. Os inversores a serem utilizados serão em string, e introduzidos com a opção
simplista. Como tal, quando um painel se encontra parcialmente sombreado, não irá gerar
energia para o edifício, de modo a não prejudicar o sistema. Embora o EnergyPlus contenha
opções para cálculos mais realistas do funcionamento de inversores, a sua introdução não
permitiria a otimização do sistema nem a consideração das perdas referidas anteriormente.
Para além disso, como se pode notar, a diferença é desprezável. As baterias seguem a mesma
lógica, sendo introduzidas apenas com a capacidade, fluxos de carga/descarga, eficiência e
estado inicial da bateria, o qual representa a energia que a bateria possui na primeira fase de
funcionamento, a qual será considerada 20 % da sua capacidade. Como o método simplista
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 37
descarrega a bateria por completo, é recomendado a introdução de baterias de iões de lítio,
para um estudo mais realista. Caso se pretenda introduzir outro tipo de baterias, a sua
capacidade deve ser introduzida em função da sua profundidade de descarga.
Quaisquer outros equipamentos ou elementos interligados serão considerados ideais,
dada a ausência de funções no EnergyPlus ou dificuldade de previsão, tais como a reflexão
da radiação no PV e perdas no transformador.
3.3. Otimização
O dimensionamento e parametrização do sistema fotovoltaico será baseado em
processos de otimização, no qual serão analisadas as situações introduzidas pelo utilizador,
de modo a conseguir o maior retorno do investimento possível. O caso principal a ser
estudado é o de uma UPAC, sem bateria. O sistema de armazenamento poderá ser
introduzido como opção, e a escolha de UPP será uma opção caso haja muita área disponível
e/ou caso haja muita energia a ser vendida por excesso. Qualquer que seja a situação
escolhida, a otimização será sempre dependente dos seguintes fatores:
• Perfil de consumo;
• Área disponível e sombreamento mensal;
• Equipamento escolhido;
• Legislação em vigor;
• Investimento do utilizador.
3.3.1. EnergyPlus
Após todas as etapas iniciais completas, procede-se á colocação de um painel
fotovoltaico por cada área distinta da zona disponível para colocação de PV, ou seja, é feita
uma divisão da área em segmentos onde o perfil de sombreamento é semelhante ao longo do
ano. Também será feita uma separação especial em zonas em que o sombreamento causado
pelos painéis não será incidente noutros mesmos, podendo ter uma inclinação diferentes das
restantes, como é o caso da última string de PV de um sistema. Finalmente, executa-se o
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 38
EnergyPlus, obtendo como outputs em períodos anuais a energia produzida pelo sistema
renovável – Facility Total Produced Electric Energy – e a energia em excesso injetada na
rede – Facility Total Surplus Electric Energy. Estes são os principais dados a adquirir deste
programa. A Figura 17 demonstra os passos realizados para a preparação da otimização do
sistema, desde as considerações iniciais, até à última etapa antes da sua introdução no
GenOpt. Relembrar que a implementação do sistema fotovoltaico já inclui a contabilização
de perdas que o EnergyPlus não calcula.
3.3.2. GenOpt
O GenOpt, um programa interface entre algoritmos de otimização e motores de
simulação – neste caso, EnergyPlus –, com o objetivo de minimizar uma função. Esta está
dependente tanto dos outputs selecionados do EnergyPlus, como dos inputs indicados como
variáveis do programa, ambos dependentes do utilizador. Nesta dissertação, as variáveis de
Figura 17 - Procedimento prévio à otimização esquematização
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 39
outputs selecionadas são a energia produzida e a energia em excesso, enquanto que as
variáveis de decisão são o número de painéis e respetivas inclinação e orientação, sendo
estas únicas para cada segmentação de área.
Importante notar que o tempo de simulação do EnergyPlus é dependente das
superfícies envolvidas, sendo que o aumento do seu número torna processo mais demorado.
Esta demora será ainda mais acentuada no processo de otimização pelo GenOpt, dado que
executa repetitivamente o simulador energético. Assim, foi essencial diminuir o tempo do
processo envolvido. Assumindo apenas um equipamento consumidor de energia, que possui
um perfil de consumo equivalente à junção de todos os equipamentos existentes, e
removendo quaisquer outros elementos do edifício, foi criado um ficheiro IDF com tamanho
significativamente mais reduzido, tornando a otimização muito mais rápida. Existem vários
algoritmos que poderiam ser utilizados nesta abordagem, dado que a função que será
estudada é sempre contínua para variáveis positivas. Considerando que as variáveis são
contínuas nos seus intervalos estipulados, recorreu-se ao algoritmo GPSHookeJeeves para a
otimização, visto ser a escolha mais simples e generalista adequada à situação em questão.
3.3.2.1. Especificações do algoritmo
A introdução de variáveis no programa é estabelecida por um intervalo de limites
e o seu Step de interação, modificando o seu valor em função da otimização estabelecida.
Também é possível adicionar funções destas mesmas variáveis como inputs próprios, o que
permite estabelecer uma relação entre elas, o que será essencial, dado que o número de
painéis depende do seu posicionamento, devido ao sombreamento entre PV. Introduziu-se,
então, o número de painéis como função da sua orientação e inclinação, sendo estas variáveis
normais, e também das dimensões da área disponível, estabelecidas como constantes.
No entanto, a relação entre painéis e área disponível é um bocado complexa. Uma
relação de áreas tem a grande possibilidade de dar resultados errados, pois contabiliza com
todas as pequenas porções de área excedentes, as quais são incapazes de colocar um painel.
Assim, haveria um sobre dimensionamento do número de painéis capazes de colocar numa
área. Dado que a maioria das áreas disponíveis possuem um formato retangular, foi feita
uma relação entre dimensões, em vez de áreas. É uma forma aproximada mais correta, capaz
de mostrar resultados mais realistas.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 40
Para tal, foi contabilizada as dimensões da área ocupada pelo painel e respetiva
sombra causada. Qualquer que seja o posicionamento solar, tanto a sombra de um painel
como a área ocupada pelo próprio serão dependentes da sua inclinação e orientação. Assim,
foi necessário estabelecer as dimensões da área de ocupação de um PV como variáveis do
seu posicionamento. Estas foram introduzidas no programa pelas seguintes funções:
𝑁𝑃𝑉 = 𝑖𝑛𝑡 (
𝐿𝐴 + 𝐿𝑆𝑜𝑚𝑏𝑟𝑎
𝐿𝑃𝑉− 0,5) × 𝑖𝑛𝑡 (
𝑊𝐴
𝑊𝑃𝑉− 0,5) ( 5 )
𝐿𝑃𝑉 = 𝐿𝑃𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 + 𝐿𝑆𝑜𝑚𝑏𝑟𝑎
𝐿𝑃𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 = 𝐻 × cos(𝛼𝑃𝑉)
( 6 )
( 7 )
A função int representa um arredondamento para um valor inteiro, subtraindo meio
valor como garantia que o arredondamento é feito para baixo. L e W representam a largura e
comprimentos respetivos do seu índice, sendo A a área de colocação e PV a área ocupada
pelo painel e a sua sombra. Foi necessária a adição da largura da sombra, 𝐿𝑆𝑜𝑚𝑏𝑟𝑎, já referida
na Equação ( 1, no numerador da função, de modo a ter em conta a última fila do sistema,
cujo sombreamento não afeta nenhum outro painel, sendo esta dada pela . A largura do
painel, 𝐿𝑃𝑉, é utilizada em forma de função, pois é dependente do posicionamento do painel,
sendo H a sua largura física. Os ângulos 𝛼𝑃𝑉 e 𝜑𝑝𝑣 correspondem aos ângulos de inclinação
e de orientação do painel, enquanto que os ângulos solares são representados por 𝜑𝑠𝑜𝑙 e 𝜃𝑠𝑜𝑙,
sendo considerados para o caso mais desfavorável, ou seja, no caso do hemisfério Norte,
será o posicionamento equivalente ao dia 21 de Dezembro nos extremos do intervalo
estudado – 09:00 ou 15:00. A hora escolhida será feita automaticamente em função da
orientação do painel na orientação, usando o limite matinal para orientações abaixo de 180º,
e o limite superior para azimutes mais a Oeste.
Por fim, de modo a que não ocorra nenhum problema nas interações, foi necessário
estabelecer um mínimo de 1 painel por área a dimensionar. O método aplicado é uma
aproximação da realidade, de modo a saber a quantidade máxima de painéis a inserir sem
recorrer a algoritmos complexos.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 41
3.3.2.2. Execução do programa
A otimização de sistemas fotovoltaicos é diversa e específica para cada edifício e
utilizador, de modo a conseguir uma produção eficiente com o melhor retorno económico
possível. A abordagem inicial tinha o objetivo de otimizar em termos energéticos. No
entanto, não se encontraram nenhuns critérios para utilizar como limites. Determinar a
produção de energia máxima sem vender à rede, ou mesmo implementar um limite de
energia a ser vendida, dimensionaria o sistema em excesso e em posições nada eficientes.
Obtinha-se um sistema de painéis muito pouco eficientes, de modo a não vender nenhuma
energia. No entanto, sabe-se que o dimensionamento fotovoltaico é dependente dos
incentivos associados à aquisição do sistema, e do preço da energia à rede.
𝐶𝐹 = 𝐺 − 𝑅 = (𝐺𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝 + 𝐺𝑖𝑛𝑠𝑡 + 𝐺𝑚𝑎𝑛 + 𝐺𝑙𝑒𝑔) − (𝑅𝐸𝑃+ 𝑅𝐸𝑉
) ( 8 )
A função-custo foi imposta de forma simplista e de forma simétrica ao lucro normal,
de modo a se adequar ao programa. Visto que o programa procura encontrar o mínimo da
função, a situação de maior lucro será representada pelo mínimo de CF, na qual a função
representa a diferença entre os gastos, G, com os rendimentos envolvidos, 𝐺. Todas as
variáveis envolvidas são dependentes do tamanho do sistema, sendo os custos divididos em
investimento de equipamento 𝐺𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝 , instalação 𝐺𝑖𝑛𝑠𝑡 , manutenção 𝐺𝑚𝑎𝑛 e custos de
legislação 𝐺𝑙𝑒𝑔. Por outro lado, os ganhos serão dados em energia produzida consumida 𝑅𝐸𝑃
e da energia vendida à rede 𝑅𝐸𝑉. O utilizador poderá escolher o período a ser analisado,
sendo recomendado o período de 25 anos, correspondendo à garantia habitual de vida útil
dos painéis fotovoltaicos. A manutenção e a instalação são dependentes da companhia de
instalação, da estrutura de suporte e do tamanho do sistema, sendo então dados em função
da potência de produção do sistema. A renovação dos equipamentos depende da escolha dos
próprios, mas, em geral, é focada nos inversores e baterias, cuja média de tempo de vida de
ambos é de 10 anos, sendo habitualmente renovados duas vezes na vida útil do sistema.
Os ganhos correspondem à soma dos ganhos com a energia poupada, a qual
corresponde à diferença entre a energia produzida e a energia em excesso, com os ganhos da
energia vendida à rede. No caso de análise de unidades UPP, a energia produzida não será
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Metodologia
Miguel Sousa 42
consumida, mas vendida totalmente, por um preço único, representando a única fonte de
lucro do sistema.
Este método simplista considera preços constantes. No caso de um estudo mais
realista, recorre-se à análise de preços correntes a partir de indicadores financeiros, no qual
se poderá contabilizar com a alteração de valores com o tempo. No entanto, dada que a
produção pelo programa foi considerada constante anualmente, os custos associados á
eletricidade foram considerados constantes. Baseando no Valor Líquido Anual (VLA), num
período n, equivalente a 25 anos, neste caso-estudo, obtém-se o lucro do sistema pela
seguinte equação:
Nesta equação, 𝐶𝐹𝑘 representa o cash-flow do ano k, o qual é equivalente à diferença
entre os rendimentos e gastos de exploração desse ano. VR corresponde ao valor residual, o
qual será nulo nesta situação, visto que se analisa o período inteiro de 25 anos. Por último, i
representa a taxa de atualização para preços constantes. Como é assumido que o
investimento é feito totalmente a capitais próprios, este será equivalente e representativo á
taxa de inflação prevista.
𝑉𝐿𝐴 = ∑
𝐶𝐹𝑘 − 𝐼𝑘
(1 + 𝑖)𝑘+
𝑉𝑅
(1 + 𝑖)𝑛
𝑛
𝑘=0
( 9 )
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Caso-Estudo
Miguel Sousa 43
4. CASO-ESTUDO
Os dados e resultados que se seguem, tanto de ficheiros IDF como dos resultados
obtidos pelas simulações dos casos-estudo, poderão ser consultados ao detalhe no website
figshare [28].
4.1. Edifício
Os edifícios gerados pelo EPSAP foram prédios em formato de três torres, sendo
uma delas respetiva ao elevador e escadas, em Coimbra. São prédios residenciais,
constituídos por nove pisos, em que cada piso possui um apartamento típico T2, fazendo um
total de 18 apartamentos, em que cada um é composto por um hall interior, uma cozinha,
uma sala de estar, um quarto individual e uma suite – quarto duplo com casa de banho
privada. O rés-do-chão do edifício é comum, e possui uma divisória comum, com acesso aos
elevadores e escadaria, e também a cinco espaços distintos, destinados para fins comerciais.
Com a pré-análise do edifício, referida anteriormente e esquematizada na Figura
17, foram obtidos os dados necessários à criação de um IDF capaz de ser otimizado em
tempos reduzidos. O perfil de consumo do edifício é quase constante durante todo o ano,
mostrando poucas diferenças na época de Inverno, e encontra-se ilustrado na Figura 18.
Também se obteve o posicionamento solar e geometria do edifício, conseguindo fazer uma
análise das áreas disponíveis e do perfil de sombreamento envolvido.
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Miguel Sousa 44
Também foi possível proceder à programação das estruturas de seguimento solar a
partir do posicionamento do sol. Cada superfície será respetiva a uma posição perpendicular
à radiação, sendo feitas a partir de médias mensal horária, tal como foi referido
anteriormente, no caso de dois eixos. Ainda mais em específico, foi analisado o dia 21 de
dezembro, o dia mais curto do ano, no qual ocorre a pior situação de sombreamento. Esta é
respetiva às 09:00 e 15:00 horas, tendo como ângulos de altura e de azimute de,
respetivamente, 14.50° e de 139.4° da parte da manhã, e de 12.90° e 223.06° da parte da
tarde. Recorreu-se ao programa Microsoft Excel para ajudar com a quantia enorme de data,
o qual poderá também ser consultado na referência do início do capítulo 4.
Será escolhido o topo do edifício como o local principal do sistema fotovoltaico, e
procede-se a uma análise ao sombreamento durante o meio-dia e o intervalo de produção de
energia de junho, dezembro e setembro, o qual é muito semelhante ao de março. Estes perfis
de sombreamento podem ser observados na Figura 19, onde se destacam os meses mais
cruciais.
No caso da maximização da área do telhado, também será analisada as hipóteses de
implementação de painéis ou na fachada a Sul do edifício ou numa pequena área no solo, de
modo a analisar outros tipos de estruturas fotovoltaica, e aumentar a variedade das opções.
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Horas
Consumo energético diário do edifício
Figura 18 – Perfil de consumo diário do edifício
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Caso-Estudo
Miguel Sousa 45
Figura 19 – Sombreamento no topo do edifício estudado
Como se pode observar, à exceção de uma pequena área da zona inferior, o edifício
dispõe de duas áreas bem iluminadas para a colocação de painéis fotovoltaicos. A zona
superior é pouco favorável, visto que se encontra muito sombreada nos meses de Inverno, e
os cálculos no EnergyPlus não seriam realistas para esta situação. No entanto, assumindo
estas perdas de sombreamento no seu pior caso possível, e recorrer à sua introdução na
mudança da eficiência do inversor programado, será considerada a adesão de uma única fila
de painéis na zona superior a essa área, de modo a evitar qualquer sombreamento dos painéis
da área a meio, e sendo apenas sombreada em dezembro e janeiro, sendo que a eficiência
desta fila será reduzida a metade nestes meses. O resto da área não só se encontra sombreada
entre outubro e fevereiro constantemente, como também se deve ter em conta outros
equipamentos que poderão vir a ser colocados no telhado, especialmente componentes dos
sistemas AVAC e poeiras que vêm dos mesmos, implicando uma distância entre o sistema
fotovoltaico. Assim, esta parte da área não será considerada.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Caso-Estudo
Miguel Sousa 46
Os painéis nesta área serão considerados orientação de retrato, ou seja, a sua maior
dimensão será colocada na vertical, pois o seu sombreamento não afeta outros painéis,
aproveitando, assim, a área disponível ao máximo.
A área de colocação de painéis é demonstrada na Figura 20, assumindo 1 m de
margem de segurança tanto para as cargas de vento, como para instalação e manutenção.
Como foi dito anteriormente, foram separadas em retângulos, de modo a saber o número
máximo de painéis a inserir.
Figura 20 – Área de colocação do sistema fotovoltaico
As áreas 3 e 5 respeitam as condições iniciais, mas foram analisadas com mais
detalhe. A área 3 apresenta uma área muito reduzida, e a colocação de um painel iria afetar
a colocação de PV na área 4, diminuindo a área disponível. Como tal, não foi considerada.
Já a área 5 corresponde á área indicada no parágrafo anterior, e será considerada apenas uma
fila no seu final, de modo a sofrer o menor sombreamento possível. Visto que esta não causa
sombreamento, admitiu-se logo o número máximo de painéis possível -13 -, de modo a
reduzir o número de variáveis introduzidas. Por fim, a largura da área 2 é condicionada com
o sombreamento dos painéis da área 1, sendo então dada por 𝐿𝐴2,𝑢𝑡𝑖𝑙, a qual é função da
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Caso-Estudo
Miguel Sousa 47
largura das duas áreas, 𝐿𝐴2e 𝐿𝐴1
, do número de filas de painéis em 1, 𝑁𝑃𝑉1 , e pela largura
ocupada por um painel e pela sua sombra, 𝐿𝑃𝑉1. Esta relação é dada pela equação seguinte.
Outras opções de áreas disponíveis incluem a fachada a Sul, iluminada todo o
ano, e algum terreno exterior que seja promissora, o qual possibilita a introdução de
rastreadores solares.
4.2. Sistema de Produção de Energia
Considera-se que o utilizador possua investimento suficiente para a melhor
situação económica, mas que pretenda uma boa escolha de qualidade/preço. Como tal, dada
a área relativamente reduzida e o grande perfil de consumo, foi escolhido o painel
monocristalino LG295S1C-A5, da LG Eletronics, como caso-estudo. Possui eficiência e
potência de, respetivamente, 17.2 % e 295 W, sendo um exemplo de um bom PV a preço
bastante acessível.
Quanto às baterias e inversores, como são dependentes do número dos painéis,
devem ser escolhidos posteriormente ao dimensionamento do sistema. No entanto, poderá
ser feita uma estimativa. Como é previsto um sistema de elevado número de painéis solares,
será preferível a escolha de inversores em série. Foram considerados como referência,
respetivamente, o SMA SunnyBoy, sendo adequado a séries de 12 para o painel analisado,
e a bateria da SmartEnergy de iões de lítio. Ambos vêm com possibilidade de garantia de 10
anos, e diversas versões do mesmo equipamento, sendo possível fazer um custo €/kWh no
processo de otimização. Embora o seu investimento seja um pouco mais elevado, devido às
suas características, não requerem muita manutenção, havendo uma poupança ao longo dos
anos. O seu tempo de vida é de 10 a 15 anos, sendo plausível a sua renovação uma vez em
25 anos. No entanto, será considerado o pior cenário possível, recorrendo a duas
substituições, dado que não há garantias da ocorrência do caso anterior.
Por fim, serão analisados todos os tipos de estruturas possível. As estruturas fixas
podem ser colocadas em qualquer tipo de área. Embora o mesmo ocorra com as estruturas
𝐿𝐴2,𝑢𝑡𝑖𝑙= 𝐿𝐴2
+ (𝐿𝐴1− 𝑁𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛𝑔𝑠 × 𝐿𝑃𝑉1
) ( 10 )
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Miguel Sousa 48
variáveis, estas serão apenas consideradas nos casos de strings cujo sombreamento não afete
nenhum outro PV, sendo aplicadas em filas únicas. Caso a otimização das estruturas fixas
não apresente uma inclinação baixa, poderá ser feita uma segunda abordagem, de modo a
considerar as estruturas variáveis como opção em todos o sistema ou no caso das últimas
filas, que também não causam sombreamento. As estruturas de rastreamento solar requerem
a sua colocação no solo, e assim será assumido que existe uma área iluminada o ano inteiro
a Sul do edifício, pertencente ao mesmo.
São demonstrados os custos e características envolvidas neste sistema na Tabela
3, tendo sido retirados de diversas lojas online nacionais. De notar que o PV envolvido
apresenta um decaimento de 2 % nas primeiras horas de funcionamento, devido a
mecanismos de degradação como a luz, temperatura e potência envolvidas (REF). A partir
dai, o decaimento é linear e anual, tal como no caso das baterias. Nos inversores e estruturas,
o decaimento é reduzido e pouco previsível, sendo resultado maioritário de uma má
manutenção ou de condições adversas às quais foram submetidos. Como tal, considerou-se
um decaimento nulo para estes equipamentos. Por último, é difícil obter os preços dos
seguidores solares de 2 eixos, dada a sua maior presença em sistemas de utilidade, não
residenciais, e presença inferior no mercado. Para além disso, não existem análises recentes
aos preços destes sistemas em Portugal. A partir do contacto direto com empresas de fabrico
de seguidores solares, foi obtida a informação que o preço aproximado de uma estrutura de
2 eixos é de 6000€, e que a sua manutenção anual pode alcançar os 150€,
Tabela 3 – Equipamentos do sistema fotovoltaico selecionado
Equipamento Características Decaimento Custo
PV LG295S1C-A5 Eff: 17,2 % ; P: 295 W; Dim: 1.686 x 1.016 m
-0,55 %/ano 300 €
Bateria Smart Battery 12 V
100 Ah Eff: 97 % ; Cap.: 1200 W
-2 % Cap./ano
1 300 €
Inversor SMA SunnyBoy 5000 Eff: 96 % ; Psaida: 5000 W 103 € / painel
Estrutura
Fixa 40 € /painel
(58 € no solo)
Ajustável 55 € /painel
1 eixo horizontal Lorentz ETATRACK Active
3000-5 222 € /painel
2 eixos SunTech 333 € / painel
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Miguel Sousa 49
Considerou-se o pior cenário possível, no qual os custos envolvidos terão o preço
unitário. O custo associado aos equipamentos nunca é fixo, sendo muito dependente da
distribuidora, podendo incluir descontos especiais para a aquisição de sistemas de maior
capacidade. O valor de instalação é dependente da companhia e do seu orçamento, mas, de
acordo com o NREL [29], o seu custo médio de instalação é aproximadamente 23 % dos
custos do sistema fotovoltaico sem bateria, contabilizando com transportes. Ao consultar
serviços de instalação nacionais, nota-se que a instalação varia entre 21 % e 22 % do valor
do sistema. Dado a simplicidade de instalação dos equipamentos escolhidos, serão
considerados os valores mínimos mencionados, ou seja, 21 %. A manutenção envolvida será
reduzida, feita a baixos custos anualmente, sendo 2 % do preço de um painel com a sua
estrutura. Este último é ainda confirmado como aproximação decente pela informação dada
anteriormente, visto que a manutenção da estrutura do sistema de 2 eixos é equivalente a
2.5% da mesma, sendo que esta percentagem pode ser reduzida com a introdução de painéis.
Irá ser considerada a mesma percentagem de manutenção para rastreadores solar,
pois, sendo mais complexas, contêm vários componentes que requerem assistência técnica
especial, de modo a garantir o seu bom funcionamento. No entanto, a sua instalação é
bastante simples e, como tal, será considerado o valor equivalente caso se optasse por uma
estrutura fixa. No caso das fachadas integradas, despreza-se o custo de instalação,
considerando esta como base do edifício, mas mantêm-se o valor de manutenção.
Por último, caso se opte pela bateria, a sua adesão ao sistema também terá
instalação e manutenção gratuitas, embora o aumento da sua capacidade vem com um custo
adicional de 0.90 €/Ah.
4.3. Outras considerações
As variáveis de rentabilidade são consideradas constantes ao longo do tempo,
sendo os preços de compra e de venda de eletricidade ao/pelo consumidor dados em médias
aritméticas do ano de 2017 pela Comissão Europeia (EC) e pela OMIE, respetivamente.
Consideram-se, assim, um custo de compra de 0,2248 €/kWh e um preço de venda de
0,05248 €/kWh, assim como a taxa de inflação de 1.4%, valores obtidos pelo site pordata.
No entanto, será também feito um segundo caso com preços correntes, no qual se presume
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Caso-Estudo
Miguel Sousa 50
uma taxa sobre o custo de eletricidade, tanto de venda, como de compra, e uma taxa de
inflação.
Devido à análise puramente anual dos softwares, e o decaimento linear dos
equipamentos, é considerado que os equipamentos funcionem com a eficiência equivalente
à sua média do intervalo de tempo. Ou seja, para um intervalo de tempo de 25 anos, os PV
terão uma eficiência constante equivalente à diferença entre a sua eficiência inicial, com o
decaimento sofrido em 12 anos e meio, o que corresponde a uma eficiência de 15,67 %. O
mesmo se aplica à bateria, funcionando sempre a 90 % da sua capacidade real, visto que terá
de ser substituída ao longo da vida do sistema fotovoltaico.
Assume-se que ambos os equipamentos estão interligados aos painéis de maneira
segura, alimentando sempre com energia suficiente para o seu funcionamento, mas sem que
se ultrapassem os limites de voltagem.
Quaisquer outros custos de equipamentos essenciais, tais como disjuntores,
controladores de carga e cabos elétricos, foram considerados parte do custo da instalação, e
não foram especificados, dada a inexistência da sua adição no software.
Para além disso, a análise económica a ser efetuada assume que todos os
equipamentos comprados apresentam custo por unidade idêntico à compra de uma unidade
individual. Este é o pior caso possível, dado que a tendência é de o custo baixar com o
aumento dos painéis, devido a ofertas e promoções pela entidade comercial.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Discussão de resultados
Miguel Sousa 51
5. DISCUSSÃO DE RESULTADOS
Com as condições dadas anteriormente, foram obtidos resultados para 6 casos
distintos, dividindo-se em 3 categorias, nas quais se otimizou um sistema fotovoltaico sem
bateria, com painéis de estrutura fixa nas áreas 1, 2 e 4, dado que são áreas capazes de
introduzir diversas filas de PV:
1. PV apenas no telhado, estudando o caso de estrutura fixa e variável na área 5;
2. PV no telhado e na fachada a Sul, sendo estes ou BAPV ou BIPV;
3. PV no telhado e no terreno no solo, sendo ou estrutura fixa ou de rastreamento solar.
Estes serão analisados como preços constantes, de modo a comparar bem as
estruturas programadas. Será feita uma segunda análise ás situações mais realistas e
prováveis de serem adotadas, utilizando preços recorrentes.
As tabelas demonstradas neste capítulo demonstram os resultados principais em cada
cenário analisado. Assim, começando pela primeira categoria, os resultados de otimização
após 25 anos foram arredondados às unidades e são apresentados na Tabela 4:
Tabela 4 – Resultados após dimensionamento da categoria 1
PVs no telhado Estrutura fixa na área 5 Estrutura ajustável na área 5
Área 1 e 2 4 5 1 e 2 4 5
Nº Paineis 33 6 13 33 6 13
Orientação Paisagem Paisagem Retrato Paisagem Paisagem Retrato
Ângulo de azimute 187.5° 185.625° 187.5° 187.5° 185.625° 185.625°
Ângulo de inclinação 13.75° 10° 32.5° 13.75° 10° 13.75° /
45°
Investimento inicial -27 894 € -28 130 €
Manutenção -8 840 € -8 938 €
Renovação de equipamentos
-10 747 € -10 747 €
Taxas legislativas -425 € -425 €
Poupança energética 100 959 € 101 496 €
Venda de excess 1 699 € 1 725 €
Lucro após 25 anos 54 752 € 54 981 €
Retorno Investimento 8.44 anos 8.46 anos
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Miguel Sousa 52
Ao comparar os posicionamentos, nota-se que, em ambos os casos, os painéis
encontram-se virados a Sul e ligeiramente a Oeste, dado o grande consumo no final do dia,
diferenciando apenas na área 5 por 2°, os quais são desprezáveis. Quanto às inclinações,
apenas se diferenciam na área 5, dada a mudança de estrutura. De notar que as outras duas
áreas são iguais e foram dimensionadas de modo a maximizar o número de painéis possível,
ou seja, houve prioridade em dimensionar de modo a gerar mais W/m2. Este é justificado
pela grande dimensão do edifício, quando comparando com a área reduzida disponível. O
retorno do investimento é feito com uma aproximação da diferença entre os ganhos com a
poupança e os gastos em manutenção por ano, e dividindo o investimento pelo resultado,
arredondando para cima em unidades. Ambos cenários são bastante idênticos. O
investimento inicial maior em estrutura ajustável traduz-se num maior lucro no final do
período de 25 anos, embora este seja reduzido.
Como o programa maximizou o máximo de área disponível no telhado, será
importante considerar um terceiro cenário, de modo a aproveitar ainda mais a área. Tal como
foi referido anteriormente, há zonas comerciais que posicionam os painéis com inclinação
de 10° e orientados, em pares, a 90° e 270° com a azimute. Desta forma, reduz-se ao máximo
a área sombreada, aumentando ao máximo os W/m2, sem colocar painéis em ângulo nulo.
Introduzindo estes na área 1, e considerando estrutura ajustável na área 5, obtêm-se os
resultados ilustrados na Tabela 5.
Tabela 5 – Resultados após dimensionamento da categoria 1, com posicionamento comercial
PVs no telhado Estrutura comercial nas áreas 1 e 2
Área 1 e 2 4 5
Nº Paineis 84 6 13
Orientação Paisagem Paisagem Retrato
Ângulo de azimute 90° e 270° 180° 180°
Ângulo de inclinação 10° 11.25° 11.25° / 43.75°
Investimento inicial - 55 252 €
Manutenção - 17 510 €
Renovação de equipamentos - 21 287 €
Taxas legislativas - 425 €
Poupança energética 143 861 €
Venda de excesso 12 846 €
Lucro após 25 anos 62 233 €
Retorno Investimento 11.76 anos
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Miguel Sousa 53
Com uma orientação a maximizar a área do telhado 1 e 2, obtém-se uma configuração
do sistema que consegue um maior lucro, em troca de um investimento muito mais elevado,
e com um retorno deste mesmo mais demorado, dado o aumento do número de painéis para
quase o dobro. Importante notar que esta configuração retira um grande proveito da energia
excedente vendida à rede, ao contrário do caso anterior, devido á orientação de painéis para
horas mais matinais.
No entanto, a introdução de tantos painéis requer um estudo cuidadoso do telhado,
visto ser necessária a garantia que a superfície é capaz de suportar o peso de tantos painéis,
o qual poderá não acontecer. Como tal, é benéfico a análise de outras situações. Partindo
para a segunda categoria, e assumindo que a fachada a Sul está disponível para a colocação
de PV, foi feita a otimização, considerando as áreas verticais da fachada sem janelas como
áreas disponíveis para BIPV. Considera-se que painéis integrados terão o valor de 360 € pois,
embora tenham instalação ainda mais rigorosa, a substituição de materiais de construção
concede uma poupança no investimento, conseguindo alcançar valores inferiores aos da
estrutura fixa a mais de 10 % [30]. Também será considerado que a sua instalação é de
apenas 5 %, visto que se poupa mão-de-obra ao instalar os painéis em conjunto com a
construção, o que resulta na otimização mostrada na Tabela 6.
Tabela 6 - Resultados após dimensionamento da categoria 2, BIPV
PVs no telhado BIPV
Área 1 e 2 4 5 Fachada
Nº Paineis 33 6 13 19
Orientação Paisagem Paisagem Retrato Paisagem
Ângulo de azimute 180 185.625 183.75 180
Ângulo de inclinação 15 12 11.25 / 43.75 90
Investimento inicial - 37 035 €
Manutenção - 12 268 €
Renovação de equipamentos - 14 570 €
Taxas legislativas - 425 €
Poupança energética 117 049 €
Venda de excesso 4 316 €
Lucro após 25 anos 57 067 €
Retorno Investimento 9,84 anos
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Miguel Sousa 54
A integração de painéis na fachada integração de painéis na fachada é lucrativa,
embora o seja com um lucro de aproximadamente 84 € por ano, o qual é desmotivador, visto
que são necessárias várias condições iniciais á sua introdução, como a garantia de boas
condições de ventilação e uma análise dos esforços envolvidos. No entanto, dependendo dos
custos dos materiais de construção, a integração por PV tem o potencial de ficar ainda mais
barato do que os painéis no telhado. Também poderá servir como fins de climatização
(BIPVT), de modo a reduzir ainda mais os gastos gerais do edifício.
Criando um cenário hipotético, no caso de não se pretender a introdução de
painéis nas fachadas, a introdução de PV em terreno iluminado permite a adição de mais
painéis, incluindo componentes de seguimento solar. Será considerada a introdução de 18
painéis referidos, em três tipos de estrutura distintas, e considera-se que os equipamentos
envolvidos no seguidor solar de 2 eixos terão também garantia de 25 anos. Assim são obtidas
os últimos dados desta otimização, demonstrados na Tabela 7, Tabela 8 e Tabela 9, , os quais
variam dependendo da estrutura selecionada no terreno.
Tabela 7 – Resultados após dimensionamento da categoria 3 – Painéis fixos
PVs no telhado Painéis fixos no solo
Área 1 e 2 4 5 Solo
Nº Paineis 33 5 13 18
Orientação Paisagem Retrato Retrato Paisagem
Ângulo de azimute 181.25 182.5 182.5 182.5
Ângulo de inclinação 15 32.5 11.25 / 42.5 32.5
Investimento inicial - 37 519 €
Manutenção - 11 992 €
Renovação de equipamentos - 14 260 €
Taxas legislativas - 425 €
Poupança energética 121 936 €
Venda de excesso 5 873 €
Lucro após 25 anos 63 613 €
Retorno Investimento 9.27 anos
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Miguel Sousa 55
Tabela 8 - Resultados após dimensionamento da categoria 3 – Rastreador de 1 eixo horizontal
PVs no telhado Rastreador solar de 1 eixo horizontal no solo
Área 1 e 2 4 5 Solo
Nº Paineis 33 5 13 18
Orientação Paisagem Retrato Retrato Paisagem
Ângulo de azimute 180 180 180 Ideal
Ângulo de inclinação 15 33.75 13 / 43 30
Investimento inicial - 40 522 €
Manutenção - 13 468€
Renovação de equipamentos - 14 260 €
Taxas legislativas - 425 €
Poupança energética 125 636 €
Venda de excesso 6 481 €
Lucro após 25 anos 63 442 €
Retorno Investimento 9,74 anos
Tabela 9 – Resultados após dimensionamento da categoria 3 – Rastreador de 2 eixos
PVs no telhado Rastreador solar de 2 eixos no solo
Área 1 e 2 4 5 Solo
Nº Paineis 33 5 13 18
Orientação Paisagem Retrato Retrato Paisagem
Ângulo de azimute 180 180 180 Ideal
Ângulo de inclinação 15 33.75 13 / 43 30
Investimento inicial - 42 523 €
Manutenção - 14 468 €
Renovação de equipamentos - 14 260 €
Taxas legislativas - 425 €
Poupança energética 127 459 €
Venda de excesso 6 813 €
Lucro após 25 anos 62 596 €
Retorno Investimento 10,11 anos
Por um investimento menor do que nas fachadas, conseguimos a produção de muito
mais energia e, como tal, um lucro ainda maior. De notar que também se removeu um painel
da área 4, conseguindo agora ter uma fila única com inclinação ideal, em vez de duas filas,
como nas outras situações. Embora os rastreadores solares requeiram um técnico
especialista, a sua instalação e manutenção acabam por ser mais simples do que nos painéis
em fachada, e a sua produção maior. No entanto, requerem um grande investimento. De
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Discussão de resultados
Miguel Sousa 56
facto, estes custos são tão elevados, que a sua produção de energia não compensa o seu
investimento, quando comparados com uma estrutura fixa, neste caso-estudo. Visto que os
gastos de exploração seriam menores, em troca de um maior rendimento ao final de 25 anos
e um retorno de investimento mais rápido, caso de adicione painéis no terreno, seria mais
lucrativo investir numa estrutura fixa.
Fazendo uma análise a cada caso-estudo e à sua energia média anual produzida
e vendida, demonstra-se que grande parte da energia produzida é, efetivamente, consumida
pela habitação, enquanto que se ocupa a área máxima disponível. Isto significa que os
sistemas escolhidos serão uma melhor opção como UPAC, não sendo necessário considerar
a escolha destes como UPP. A porção de energia vendida apresenta um lucro diminuto por
ano, como era de esperar. No entanto, mesmo no pior dos casos, esta é muito maior do que
o aumento de taxas legislativas associadas à venda da energia à rede, capaz de incluir até
quaisquer futuras renovações de contrato.
Um sistema de armazenamento foi adicionado ao sistema, com a capacidade a
ser otimizada, de modo a utilizar a energia produzida, em vez de a vender. Como foram
escolhidos inversores em série, a ligação será feita em corrente AC, ou seja, é necessário um
inversor próprio para a bateria a usar. No entanto, ao adicionar a bateria no sistema de
orientação comercial – situação com maior energia em excesso – a capacidade da bateria
tende para zero. Ou seja, a sua adição não é rentável. O mesmo se verificou para Caso o
preço das baterias fosse mais acessível, o caso poderia ser diferente, mas com os preços da
atualidade, isto não acontece.
Será feita a mesma otimização, mas desta vez, considerando preços correntes
num cenário desfavorável, com taxa de inflação de 1.4% e custos de eletricidade constantes.
Após esta feita, o dimensionamento dos sistemas manteve-se igual na maioria das situações,
com exceção de duas delas. No caso da orientação comercial e de integração de painéis na
fachada, demonstra-se uma redução no seu número, consequência da consideração de uma
inflação constante. Nestes casos, só se dimensionaram 78 painéis com orientação comercial
e, no caso da fachada, apenas integração de 13. O resto do posicionamento foi equivalente
ao caso de preços constantes, tal como nos outros cenários. Com a análise dos resultados
económicos, foram criados os gráficos presentes na Figura 21 e na Figura 22.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Discussão de resultados
Miguel Sousa 57
A consideração de custos correntes para um cenário desfavorável para o investimento
renovável (aumento da taxa de inflação, custo de eletricidade constante) decresce imenso o
lucro de todas as situações, sendo a menos afetada a integração na fachada. Este aumento de
fiabilidade na integração deve-se ao fato da inflação afetar imenso as escolhas cujo
investimento era elevado por painel.
Figura 21 - Gastos associados aos diferentes sistemas fotovoltaicos otimizados, com preços correntes
Figura 22 - Lucro associado aos diferentes sistemas fotovoltaicos otimizados, com preços correntes
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
Fixos Ajustáveis Comercial BIPV Fixos - Solo 1 eixo 2 eixos
EUR
Situação escolhida
Gastos no sistema fotovoltaico em 25 anos
Investimento Inicial Renovação Manutenção Taxas legislativas
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
Fixos Ajustáveis Comercial BIPV Fixos - Solo 1 eixo 2 eixos
EUR
Situação escolhida
Lucro do sistema fotovoltaico em 25 anos
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Discussão de resultados
Miguel Sousa 58
Por esta razão, o lucro de painéis com orientação comercial diminuiu bastante,
enquanto que os painéis integrados, que possuem o menor investimento inicial por painel,
devido à poupança em instalação, têm um aumento de rentabilidade. No entanto, é de realçar
que apenas se otimizou em 13 painéis, sendo uma escolha pouco fiável para integração. Por
fim, a implementação de painéis no solo também segue a mesma lógica dos painéis no
telhado, sendo que o caso dos seguidores solares tornou-se ainda menos favorável,
comparando com a estrutura fixa.
Também se tentou otimizar o sistema, implementando uma bateria no mesmo. No
entanto, não se mostrou benéfica nem para o cenário comercial, onde existia maior excedente
de energia, sendo que o programa otimizava o sistema com a capacidade da bateria a tentar
para 0.
Assim, de modo a definir a otimização, de modo a obter a melhor solução para o
edifício, chegamos às seguintes conclusões:
• Para a maioria das situações, as áreas do telhado terão o máximo de painéis
possíveis, submetendo-se à uma inclinação reduzida, de modo a aproveitar
ao máximo a área disponível, com exceção da área 5;
• A escolha da estrutura da área 5 mostra poucas significâncias, sendo que a
estrutura ajustável é mais lucrativa para cenários económicos mais otimistas,
enquanto que a estrutura fixa é para cenários mais pessimistas;
• Todos os painéis demonstram uma orientação a Sul, mostrando pequenas
divergências até 7º. Se, por outros motivos, como design e organização, a
preferência for de atribuir a orientação equivalente à do edifício (180°), esta
poderá ser efetuada, dado que as diferenças energéticas são reduzidas;
• A orientação dos painéis da área 1 e 2 a Este/Oeste aproveita a área que
estaria, outrora, sombreada. Embora o sistema fotovoltaico apresente uma
menor eficiência final, a produção por metro quadrado acaba por ser maior,
sendo uma boa opção, caso o telhado aguente com o peso de todos os painéis;
• Pode-se considerar a integração de painéis na fachada, sendo uma boa opção
lucrativa, a um menor investimento inicial do que a sua adição. No entanto,
devido à sua inclinação de 90º, o número de painéis otimizado é reduzido
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Discussão de resultados
Miguel Sousa 59
quando comparado com as dimensões da fachada, e pouco motivador. Caso
se consiga uma boa substituição de materiais, terá um potencial maior em
termos de poupança, sendo então uma alternativa a considerar;
• Por último, a adição de painéis solares no solo é vantajosa e é recomendada
para qualquer estrutura solar, desde que se garanta que o local possui boa
exposição solar e capacidades de implementação do sistema fotovoltaico. No
entanto, é recomendada, para o mercado atual, a escolha de estruturas fixas
em vez de seguidores solares.
Assim, a situação mais simples e rápida de sempre empregue será a primeira situação.
Supondo que, por motivos visuais e de organização, se pretende que estes possuam a mesma
orientação do edifício, o sistema fotovoltaico teria o formato demonstrado na Figura 23.
Figura 23 – Telhado do Edifício com o sistema fotovoltaico de estrutura fixa implementado
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Conclusão
Miguel Sousa 60
6. CONCLUSÃO
Foi criado um processo de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos em
edifícios residenciais, no qual a orientação, inclinação e número de painéis é feita por um
processo semiautomático de otimização, o qual comprovou a viabilidade económica de
sistemas solares distintos. A sua adição no software por métodos aproximados mostrou-se
valiosa e precisa, sendo uma boa alternativa a considerar aos painéis típicos fixos,
aumentando a produção, e evitando o aumento em custos legislativos. As limitações atuais
do EnergyPlus não permitiram a automatização da seleção da área e de perfis de
sombreamento, sendo feitas manualmente, e considerando que os painéis serão colocados
em áreas que permitissem o máximo de radiação incidente durante o ano.
No caso-estudo, a adição de painéis em qualquer cenário mostrou ser lucrativo, sendo
o caso preferível a maximização de painéis no telhado por estrutura fixa, orientada para Sul,
com um ligeiro desvio para Oeste. A estrutura ajustável também se mostrou uma boa opção
em casos de fila única, aumentando a produção por um pequeno aumento no investimento.
No entanto, a estrutura fixa prevalecia em casos mais pessimistas. Esta otimização poderá
ser consequência de um mercado fotovoltaico dominado por painéis montados em estrutura
fixa. Os painéis na fachada são lucrativos, mas não muito motivadores, já a sua integração
teve um número reduzido na otimização. No entanto, este caso foi analisado no pior cenário
possível. Visto que o programa procede à geração de edifícios, um bom planeamento na
integração dos painéis na fachada poderá trazer reduções em outros custos, como nos
materiais de construção, através da sua substituição, e da possível utilização do calor gerado
pela parte posterior do painel como fonte para sistemas de climatização – BIPVT [31]. Para
além disso, a utilização de painéis de película fina poderá contribuir para uma maior
produção na fachada integrada, dado o seu melhor funcionamento em casos de menor
radiação incidente. Por último, é importante relembrar que esta adesão é mais benéfica em
situações que envolvem pouca carga do edifício, como em paredes de cortina ou em
acessórios ao edifício, os quais não existiam no nosso caso-estudo.
Quanto à adição de seguidores solares, num caso hipotético de haver terreno,
demonstrou-se que a sua programação foi bem-sucedida, apresentando aumentos de
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Conclusão
Miguel Sousa 61
produção e de lucro, embora em troca de um grande investimento e manutenção, sobretudo
no caso de dois eixos. No entanto, estas escolhas eram menos favoráveis do que a
implementação de uma estrutura fixa. Esta é consequência de um mercado maior e com
preços competitivos por parte da estrutura fixa, sobretudo em termos residenciais, onde
seguidores solares são muito raros. Para além disso, a área disponível muitas vezes é
limitada, e não é comum a existência de um terreno iluminado o dia inteiro no meio de
terreno urbano, o que torna a adoção deste tipo de sistemas ainda mais reduzida. No entanto,
para casos mais otimistas, com menor taxa de inflação e aumento do custo de eletricidade,
há potencial do seguidor de 1 eixo ser mais lucrativo. Existem ainda outros tipos de estrutura
que o utilizador poderá ter em conta, como o seguidor solar por um eixo, o qual possui
variação de inclinação e orientação num só eixo, havendo até estruturas leves o suficiente
para serem implementadas no telhado. Apresenta valores mais acessíveis no ponto de vista
económico, sendo semelhantes ao de 1 eixo de azimute, enquanto que a produção aumenta
para níveis próximos ao de 2 eixos.
A existência de bateria não é favorável em nenhuma situação do caso-estudo com os
custos atuais, dado o grande consumo da energia produzida, acompanhado de preços
relativamente elevados das baterias, e sua respetiva renovação. Há a possibilidade de ligação
da bateria à rede, a qual permite que esta seja carregada nas horas de vazio, sendo usada
posteriormente no resto do dia, podendo ser uma mais valia a considerar.
A consideração de tarifas bi-horárias ou tri-horárias e o aumento do custo de
eletricidade são cenários reais que podem ajudar no investimento de sistemas fotovoltaicos,
sobretudo em cenários que envolvem maior produção de energia, onde a compra de
eletricidade seria menor. Por último, no caso-estudo, poderia ser feita também uma
consideração de aplicar estrutura ajustável na última fila da área 1, embora as vantagens
sejam muito pequenas, tal como vistas na área 5.
Com a execução do programa, é comprovado que a estipulação de uma inclinação
ideal poderá não ser a decisão mais correta para perfis de consumo mais elevados, visto que
o sombreamento é maior do que inclinações menores. Embora o programa seja um
optimizador, há que relembrar que é apenas um ajudante na seleção do sistema fotovoltaico
nas fases iniciais do edifício, o qual é sempre único e específico para cada situação. No
exemplo de edifícios com consumo elevado no Verão, poderá ser útil diminuir a distância
de sombreamento utilizada neste programa. Embora cause sombreamento e diminua a
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Conclusão
Miguel Sousa 62
eficiência nos meses de Inverno, contribui para a colocação de mais painéis e, como tal,
maior produção durante o Verão.
No entanto, existem processos que ainda têm de ser feitos manualmente,
nomeadamente a consideração do sombreamento, a escolha de áreas disponíveis e a criação
de estruturas de seguimento solar a partir do posicionamento solar. Também é necessária a
implementação desta metodologia no código da ferramenta computacional, sendo ideal a
possibilidade de o utilizador modificar os inputs que assim desejar – em específico, o tipo
de painel, eficiência do inversor e custos associados com o sistema. Ao juntar estes à
consideração de BIPVTs, utilização de tarifas não-simples e ainda a possibilidade da função
PVWatts seja corretamente implementada, conclui-se que existem um leque de melhorias a
serem adicionadas como trabalhos futuros, podendo ser até implementada a mesma
metodologia no posicionamento de coletores solares.
Por último, é importante realçar que qualquer unidade otimizada pelo programa foi
lucrativa num cenário desfavorável, o que comprova que, para o exemplo de um edifício
típico da atualidade, a introdução de fontes de energia fotovoltaica é algo importante a
considerar na altura do projeto. A aplicação de painéis solares em edifícios é uma medida
que não só ajuda a preservar o ambiente, evitando o consumo de recursos fósseis e emissão
de GEE, mas também é um bom investimento, tanto para a economia individual, como para
a economia nacional, percorrendo um caminho de maior sustentabilidade e de
autossuficiência nacional, sendo então uma boa opção para um futuro melhor.
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Referências Bibliográficas
Miguel Sousa 63
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Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios ANEXO A – Painel fotovoltaico selecionado
Miguel Sousa 66
ANEXO A – PAINEL FOTOVOLTAICO SELECIONADO
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios ANEXO B – Inversor selecionado
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ANEXO B – INVERSOR SELECIONADO
Dimensionamento e Parametrização Automática de Sistemas de Energia Fotovoltaica em Edifícios Anexo C
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ANEXO C – BATERIA SELECIONADA